Nghiên cứu phương pháp tái tạo ảnh 3 chiều trong chẩn đoán hình ảnh y tế

Với những hình ảnh y tế được tái tạo 3 chiều đã giúp các bác sĩ có thể nhìn vào cơ thể sống với cả 2 thông tin giải phẫu và chức năng theo nhiều hướng khác nhau để cho ra kết quả chẩn đo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Tiến Dũng Các nội dung nghiên cứu, kết quả đạt được là hoàn toàn trung thực Những số liệu, công thức được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Đinh Công Đạt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D 10

1.1 Tổng quan về đồ hoạ 3D 10

1.1.1 Một số khái niệm về đồ họa 3D 10

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D 11

1.2 Tái dựng hình ảnh 3D 13

1.2.1 Sơ lược về quy trình hiển thị 3D 13

1.2.2 Lý thuyết về tái tạo khối (volume rendering) 17

1.2.3 Tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song 22

1.2.3.1 Một số thiết bị tạo lát cắt song song trong y tế 22

1.2.3.2 Chuẩn DICOM 24

1.2.4 Phương pháp tái tạo ảnh 3D 30

1.2.4.1 Sắp xếp dữ liệu 30

1.2.4.2 Biểu diễn (Rendering) 31

1.2.4.3 Quy trình chuyển đổi khối dữ liệu thành hình ảnh 33

1.2.4.4 Các phương pháp tạo bố cục ảnh (Image composition) 35

1.3 Tổng quan về lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh y tế sử dụng hình ảnh 3D hiện nay 36

1.4 Kết luận chương 1 41

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TÁI TẠO ẢNH 3D 42

2.1 Kĩ thuật Marching Cubes 42

2.1.2 Quy trình thực hiện 42

2.1.3 Phương pháp thực hiện 42

2.1.4 Giải thuật Marching Cubes 46

2.1.5 Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes 47

2.1.6 Cải tiến kĩ thuật Marching Cubes 47

2.1.6.1 Kĩ thuật Marching Tetrahedra 47

2.1.6.2 Kĩ thuật Dividing Cube 48

2.2 Kĩ thuật Shear-wap 48

2.2.1 Ý tưởng 48

2.2.2 Quy trình thực hiện 49

2.2.3 Phương pháp thực hiện 49

2.2.4 Ưu và nhược điểm 51

2.3 Kĩ thuật Ray Casting 51

2.3.1 Ý tưởng 51

2.3.3 Phương pháp thực hiện 52

2.3.4 Giải thuật Ray Casting 55

2.3.5 Ưu và nhược điểm 55

2.3.6 Một số kĩ thuật tăng tốc cho Ray Casting 55

2.3.7 Cải tiến Ray Casting sử dụng cấu trúc phân cấp không gian 57

2.3.8 Giải thuật Ray Casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian dữ liệu 60

2.3.9 So sánh tốc độ của Ray Casting và Ray Casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian 61

2.4 Kết luận chương 2 61

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TÁI TẠO ẢNH 3D TRONG Y TẾ 63

3.1 Giới thiệu chung về phần mềm 3DS Max 63

3.1.1 Lịch sử hình thành phần mềm 3DS Max 63

3.1.2 Một số ứng dụng của phần mềm 3DS Max 64

3.2 Mô phỏng tái tạo ảnh 3D thông qua sử dụng phầm mềm 3DS Max 67

3.2.1 Mô phỏng tạo ảnh gan người 67

3.2.3 Mô phỏng tạo ảnh trái tim người 75

3.3 Kết luận chương 3 80

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D 14

Hình 1 2: Loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy 14

Hình 1 3: Chiếu sáng đối tượng 15

Hình 1 4: Chuyển đối tượng sang không gian quan sát 15

Hình 1 5: Loại bỏ đối tượng nắm ngoài view 16

Hình 1 6: Chuyển đối tượng thành pixel 16

Hình 1 7: Hiển thị đối tượng 17

Hình 1 8: Voxel là một tế bào khối 17

Hình 1 9: Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của tế bào 18

Hình 1 10: Vector pháp tuyến của mặt phẳng 21

Hình 1 11: Vật thể 3 chiều được biểu diễn bằng khung kết nối 21

Hình 1 12: Dicom và mô hình tham chiếu OSI 25

Hình 1 13: Thông tin file DICOM 26

Hình 1 14: Một trường của ảnh DICOM 27

Hình 1 15: Cấu trúc flie DICOM 28

Hình 1 16: Cấu tạo Data Set 29

Hình 1 17: Sắp xếp các lát cắt song song để tạo khối dữ liệu 31

Hình 1 18: Minh họa thuật toán Marching square (đường cong mô tả giá trị trong lưới dữ liệu) 32

Hình 1 19: 16 trường hợp Marching square 32

Hình 1 20: Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền 33

Hình 1 21: Minh họa kỹ thuật Object- order 34

Hình 1 22: Minh họa kỹ thuật Ray casting 35

Hình 1 23: Mô hình quét hàm răng 3D 37

Hình 1 24: Mô hình tạo chân chỉnh hình với quét 3D 38

Hình 1 25: Mô hình mạch máu thông qua công nghệ in 3D 39

Hình 1 26: Mô hình bộ hàm titan đúc từ máy in công nghệ 3D 40

Hình 2 1: Chọn một tế bào từ dữ liệu khối 42

Hình 2 2: So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue 43

Hình 2 3: Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng 43

Hình 2 4: Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh 44

Hình 2 5: Các trường hợp đối xứng 44

Hình 2 6: 15 trường hợp sau khi đã giản ước 44

Hình 2 7: Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh 45

Hình 2 8: Nội suy vị trí đỉnh của tam giác 46

Hình 2 9: 2 mặt giao nhau tạo ra lỗ 46

Hình 2 10: Những mặt khác nhau của cùng một trường hợp 46

Hình 2 11: Chia khối lập phương thành các khối tứ diện 47

Hình 2 12: 2 trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện 48

Hình 2 13: Minh họa thuật toán Dividing Cubes trong không gian 3 chiều 48

Hình 2 14: Minh họa thuật toán Shear-wap 49

Hình 2 15: Các lát cắt của khối dữ liệu được dịch chuyển 50

Hình 2 16: Ma trận xem 51

Hình 2 17: Hệ thống các tọa độ trong suốt quá trình tái dựng ảnh 53

Hình 2 18: Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng 54

Hình 2 19: Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng của tất cả các voxel dọc theo tia và hiển thị giá trị cuối cùng lên mặt phẳng ảnh 54

Hình 2 20: Tia đi qua khối nhị phân được phân chia ra khu vực đông nhất 56

Hình 2 21: Minh họa ý tưởng tia thích nghi với chỗ giao cắt 57

Hình 2 22: Sử dụng C-buffer 57

Hình 2 23: Liệt kê cấu trúc không gian đối tượng với N=5 58

Hình 2 24; Minh họa 2 chiều cách 1 tia đi qua cấu trúc phân cấp 60

Hình 3 1: Hình ảnh mô phỏng trong chương trình 63

Hình 3 2: Giao diện chương trình 3DS Max 2015 66

Hình 3 3: Tạo 1 plane rồi tiến hành gán ảnh 2D vào khung nhìn 67

Hình 3 4: Vẽ các đường viền để định hình từng phần để tái tạo ảnh 68

Hình 3 5: Kết nối các đường viền để tiến hành tạo hình khối 68

Hình 3 6: Tạo độ dày cho mô hình 69

Hình 3 7: Extrude bề mặt đối tượng 69

Hình 3 8: Tạo hình cho bề mặt bộ phận với công cụ turbosmooth 70

Hình 3 9: Tạo độ nhẵn cho bề mặt bộ phận (1) 70

Hình 3 10: Tạo độ nhẵn cho bề mặt bộ phận (2) 71

Hình 3 11: Tạo độ nhẵn cho bề mặt bộ phận (3) 71

Hình 3 12: Tiến hành tương tự với các phần còn lại của gan 72

Hình 3 13: Tạo độ nhẵn với các phần còn lại của gan 72

Hình 3 14: Tạo độ nhẵn với các phần còn lại của gan (2) 73

Hình 3 15: Ghép các phần khi đã tái tạo ảnh 3 chiều với nhau 73

Hình 3 16: Mô hình tái tạo ảnh 3D của gan đã hoàn thành 74

Hình 3 17: Mô hình tái tạo ảnh 3D gan hoàn chỉnh 74

Hình 3 18: Chọn 1 Plane và chèn ảnh tim vào khung nhìn 75

Hình 3 19: Tạo ảnh từng phần của trái tim 76

Hình 3 20: Mô hình hoán từng phần của trái tim 76

Hình 3 21: Mô hình hóa từng phần của trái tim (2) 77

Hình 3 22: Mô hình hóa từng phần của trái tim (3) 77

Hình 3 23: Mô hình hóa từng phần của trái tim (4) 78

Hình 3 24: Mô hình hóa từng phần của trái tim (5) 78

Hình 3 25: Ghép các thành phần của trái tim với nhau 79

Hình 3 26: Mô hình trái tim người 3D đã hoàn thành 79

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DICOM : Digital Imaging and Communications in Medicine

HL7 : Health Level Seven

MIP: : Maximum Intensity Projection

MinIP : Minimum Intensity Projection

NPVR : Non-Photorealistic Volume Rendering

SOP : Service Object Pair

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ qua, công nghệ thông tin được đưa vào y tế mang lại những bước tiến mới, chẳng hạn, sự ra đời nhiều thiết bị chẩn đoán hình ảnh giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh tốt hơn như máy chụp cắt lớp (CT), máy cộng hưởng từ (MRI)… Những thiết bị đó được ứng dụng rất rộng rãi trong chẩn đoán lâm sàng cũng như trong sinh thiết Với khả năng cung cấp những hình ảnh 3 chiều (3D) của các cơ quan bên trong cơ thể con người giống như chúng đang hiện hữu bên ngoài cơ thể bệnh nhân Các thiết bị hoạt động theo

cơ chế dùng tia X-quang chụp cắt lớp các bộ phận cơ thể theo nhiều hướng khác nhau Tia Xquang được tìm ra bởi GS William Roentgen năm 1895 gây chấn động giới y học bởi nó cho phép các bác sĩ nhìn xuyên qua cơ thể con người không cần phẫu thuật Hiện nay, tia Xquang được sử dụng phổ biến trong chẩn đoán y học Năm 1972 y học lại tiến thêm bước mới với sự phát triển của kỹ thuật chụp CT,MRI cho phép máy vi tính xử lý hình ảnh chụp cắt lớp nhằm cung cấp các hình ảnh hai chiều của cấu trúc ba chiều trên đối tượng khảo sát Những hình ảnh trên sẽ được chuyển cho máy vi tính xử lý để xây dựng lại một mô hình giống như nguyên mẫu Với những hình ảnh y tế được tái tạo 3 chiều đã giúp các bác sĩ có thể nhìn vào cơ thể sống với cả 2 thông tin giải phẫu và chức năng theo nhiều hướng khác nhau để cho ra kết quả chẩn đoán chính xác nhất

Hình ảnh 3 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 Việc nghiên cứu giải thuật tái tạo hình ảnh ba chiều trong y khoa nhằm xây dựng lý thuyết và ứng dụng phục vụ trong công tác chẩn đoán và điều trị bệnh tốt hơn

 Nội dung chính của luận văn:

- Tìm hiểu cấu trúc ảnh y khoa DICOM

- Tìm hiểu các thuật giải nhằm tái tạo ảnh 3 chiều trong y khoa, đặc biệt là ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song

- Tìm ưu nhược điểm của mỗi phương pháp và chọn thuật giải phù hợp nhất

 Những vấn đề cần giải quyết trong phạm vi luận văn:

- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu cấu trúc ảnh y khoa DICOM phục vụ cho việc xử lý hình ảnh để tái tạo ảnh 3 chiều

- Tìm hiểu về tái tạo khối (Volume Render)

- Các lý thuyết về tái tạo khối

- Các giải pháp, phương thức tái tạo khối

- Từ các lý thuyết và giải pháp tìm hiểu đưa ra các ưu khuyết điểm của mỗi giải pháp và chọn ra một thuật giải tối ưu, cụ thể là Ray casting

- Tìm hiểu và chạy chương trình mô phỏng phục vụ cho chương trình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI TẠO HÌNH

ẢNH 3D

1.1 Tổng quan về đồ hoạ 3D

1.1.1 Một số khái niệm về đồ họa 3D

Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật toán cũng như kĩ thuật cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính Đồ họa máy tính có liên quan đến đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học, kĩ thuật máy tính và chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vi mạch

đồ họa )

Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu,… Phần mềm gồm công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa Công cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal, Các hàm cơ sở của đồ hoạ 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, …Ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trình viên tạo được đối tượng, hình ảnh,… mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào Ví dụ như: Photoshop, AutoCAD,…

Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối tượng trong thế giới thực là đối tượng 3D 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 3D bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối… giúp người xem nhìn thấy hình ảnh gần đúng nhất Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước Hình ảnh sẽ được hình thành ngày càng chi tiết hơn

Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D 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:

 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

 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

Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi là ánh sáng xung 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 đi theo 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 khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần tính cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật Các vật có bề mặt cong phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt Để tăng tốc độ ta xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng Với mỗi mặt phẳng sẽ áp dụng mô hình cường độ không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D

3D 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

 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế

Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người trong lĩnh vực

y học Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả

Với phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI) Bác

sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng hình ảnh trong không gian 3 chiều đã gặp không ít khó khăn Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật

 Ứng dụng đồ hoạ 3D 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 3D trong kiến trúc làm cho người xem như đứng ngay trong không gian trong thực tế

 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trò chơi

Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thế giới Ứng dụng tạo hình 3D 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 3D 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

 Ứng dụng đồ hoạ 3D 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

 Ứng dụng đồ hoạ 3D 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 3D 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 3D là vô hạn và để làm được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3D

1.2 Tái dựng hình ảnh 3D

Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ 2 chiều Muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần giả lập bằng cách chuyển đổi từng bước Hình ảnh sẽ được hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn

1.2.1 Sơ lược về quy trình hiển thị 3D

Quy trình xử lí thông tin trong đồ họa 3 chiều là chuỗi các bước nối tiếp nhau, kết quả của mỗi bước là đầu vào của bước tiếp theo

Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng các mô hình đối tượng trong không gian ba chiều (x, y, z) Các mô hình thường thể hiện vật thể (solid) hoặc bề mặt (boundaries) của đối tượng Như vậy có hai kiểu mô hình hóa

Trong solid modeling các đối tượng đồ họa mô tả các đối tượng thể tích (volume) Trong boundary representations(B-reps), các đối tượng được định nghĩa bởi bề mặt

Các mô hình thường được biểu diễn trong hệ tọa độ đối tượng Trong hệ tọa độ này chỉ có đối tượng được định nghĩa, vì vậy gốc tọa độ và đơn vị đo lường thường được chọn sao cho việc biểu diễn đối tượng tiện lợi nhất

Hình 1 1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D

Các bước trong quy trình hiển thị đối tượng 3D được hiểu như sau:

Bước 1: biến đổi đối tượng từ không gian đối tượng (object-space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world space) Trong không gian thực các đối tượng, nguồn sáng, và người quan sát cùng tồn tại

Bước 2: loại trừ tất cả các đối tượng không thể nhìn thấy tránh xử lí một số phần không cần thiết

Hình 1 2: Loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy

Bước 3: chiếu sáng (illumination) các đối tượng có thể nhìn thấy được bằng cách gán cho chúng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên vật và các nguồn sáng tồn tại trong cảnh

Hình 1 3: Chiếu sáng đối tượng

Bước 4 : biến đổi hệ tọa độ quan sát (viewing position) về gốc tọa độ và mặt phẳng quan sát (viewing plane)

Hình 1 4: Chuyển đối tượng sang không gian quan sát

Bước 5: loại bỏ hoàn toàn các đối tượng (các mảnh đối tượng) không nhìn thấy được trong ảnh

Hình 1 5: Loại bỏ đối tượng nắm ngoài view

Bước 6: chiếu các đối tượng xuống mặt phẳng hai chiều

Bước 7: chuyển đối tượng thành các pixel

Hình 1 6: Chuyển đối tượng thành pixel

Bước cuối cùng: toàn cảnh sẽ được hiển thị lên màn hình

Hình 1 7: Hiển thị đối tượng

Để có thể thực hiện được các bước trong quy trình hiển thị đối tượng 3D ta cần phải nắm rõ một số định nghĩa và cách biểu diễn về tái tạo khối

1.2.2 Lý thuyết về tái tạo khối (volume rendering)

Trong đồ hoạ máy tính, các đối tượng lập thể có thể được mô tả bằng các bề mặt (surface) của chúng Ví dụ: hình lập phương được xây dựng từ sáu mặt phẳng, hình trụ được xây dựng từ sự kết hợp của một mặt cong và hai mặt phẳng, hình cầu được xây dựng từ một mặt cong

Thông thường để biểu diễn một đối tượng bất kì, ta dùng phương pháp xấp xỉ để đưa các mặt về dạng các mặt đa giác (polygon face)

 Voxel: điểm trong không gian 3 chiều có toạ độ (x, y, z) mô tả một vị trí trong không gian

Voxel là một tế bào khối có một giá trị duy nhất trong toàn bộ khối

’

Hình 1 8: Voxel là một tế bào khối

Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của các tế bào khối, giá trị của một điểm bên trong tế bào được xác định bởi nội suy

Hình 1 9: Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của tế bào

Để biểu diễn dạng tham số của đoạn thẳng , ta có:

𝑃 = 𝑃1+ 𝑡(𝑃1− 𝑃2) (1.3) Typedef struct {

Point P1;

Point P2;

} Segment;

 Tia (Ray) : là một đoạn thẳng với một đầu nằm ở vô cực

Biểu diễn dạng tham số của tia:

 Đường thẳng (Line) : là một đoạn thẳng với cả 2 đầu nằm ở vô cực

Biểu diễn dạng tham số số của đường thẳng:l

Int Points;

} Polygon;

Có thể biểu diễn một mặt đa giác bằng tập hợp các đỉnh và các thuộc tính kèm theo Khi thông tin của mỗi mặt đa giác được nhập, dữ liệu sẽ được dùng cho các xử lý tiếp theo, hiển thị và biến đổi

Các bảng dữ liệu mô tả mặt đa giác có thể chia thành 2 loại :

Bảng hình học: chứa toạ độ các đỉnh và các tham số cho biết định hướng trong

không gian của mặt đa giác

Bảng thuộc tính: chứa tham số mô tả độ trong suốt, tính phản xạ và các thuộc tính

kết cấu của đối tượng

Để lưu trữ thuận tiện các dữ liệu hình học là tạo ra 3 danh sách lưu các giá trị: Đỉnh: các giá trị toạ độ cho mỗi đỉnh

Cạnh: chứa các con trỏ trỏ đến bảng đỉnh cho biết đỉnh nào nối với cạnh nào

Đa giác: chứa các con trỏ trỏ đến bảng lưu cạnh cho biết những cạnh tạo nên đa giác

Phương trình biểu diễn mặt phẳng có dạng : Ax + By + Cz + D=0 (*)

Trong đó (x,y,z) là một điểm bất kì của mặt phẳng và A, B, C, D là các hằng số diễn

tả thông tin không gian của mặt phẳng

Để xác định phương trình mặt phẳng ta cần xác định 3 điểm không thẳng hàng hay

sử dụng toạ độ 3 đỉnh đầu tiên (𝑥1, 𝑦1), (𝑥2, 𝑦2), (𝑥3, 𝑦3) của đa giác

Hướng của mặt phẳng thường được xác định qua vector pháp tuyến 𝑛⃗ =(A, B, D)

Hình 1 10: Vector pháp tuyến của mặt phẳng

 Mô hình Wireframe: phương pháp thông dụng và đơn giản để mô hình hoá đối tượng là mô hình khung kết nối Mô hình khung kết nối gồm một tập các đỉnh và tập các cạnh nối với các đỉnh đó Khi thể hiện bằng mô hình này các đối tượng 3 chiều thường rỗng và tốc độ nhanh nên thường dùng vào việc phác thảo đối tượng

Để hoàn thiện hơn ta dùng các kỹ thuật tạo bóng, và loại bỏ các đường khuất và mặt khuất

Hình 1 11: Vật thể 3 chiều được biểu diễn bằng khung kết nối

Ta vẽ các đối tượng theo mô hình khung kết nối bằng cách sử dụng các phép chiếu song song hay phép chiếu phối cảnh

 Phương pháp chiếu: thực hiện chiếu từ không gian quan sát xuống không gian màn hình

Có 2 phương pháp chiếu: chiếu song song và chiếu phối cảnh

1.2.3 Tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song

Nguyên tắc chung của thiết bị cắt lớp là gửi các tương tác vật lý vào cơ thể để ghi nhận thông tin cấu trúc bên trong rồi tái tạo các thông tin này thành hình ảnh dưới dạng các lát cắt Đa số các thiết bị thu bố trí đầu dò để có thể dịch chuyển trên một trục thẳng,

Để tạo ra hình ảnh ta dùng một chùm tia X chiếu xuyên qua cơ thể bệnh nhân Có 2 dạng chùm là chùm tia song song (parallel beam) và chùm tia hình quạt (fan beam) Một bức ảnh cắt lớp ta cần khoản 800 tia chiếu theo nhiều góc khác nhau

Nếu tia X phát ra có cường độ I0 thì cường độ tia thu được trên các cảm biến sau khi

đã đi qua cơ thể bệnh nhân là:

𝐼𝑡 = 𝐼0 𝑒−𝜇𝑡 (1.6)

Với: t là độ dày lớp mô tia X đi qua

µ là hệ số suy giảm tuyến tính dọc theo tia

Khi đó ta có thể tính được:

𝜇𝑡 = ln(𝐼0/𝐼)

Thông số này cho biết cấu trúc giải phẫu của mô

Sau khi có dữ liệu thô (các hình chiếu) ta dùng các thuật toán tái tạo CT (CT reconstruction algorithm) để tái tạo hình ảnh CT Thuật toán được sử dụng phổ biến hiện nay là filtered backprojection

Sau quá trình tái tạo CT mỗi pixel trên ảnh sẽ được gán một số thực (floating point number) Tuy các biểu diễn này rất thuận lợi cho tính toán nhưng lại không thuận lợi để biểu diễn vì hầu hết các phần cứng đồ họa đều dùng các ảnh số nguyên Do đó, sau quá trình tái tạo CT ảnh CT phải được chuẩn hóa (normalize) và làm tròn thành các số nguyên trước khi dùng để hiển thị và lưu trữ Các số nguyên đó còn gọi là các số CT (còn gọi là đơn vị Hounsfield, kí hiệu HU) Số CT của mỗi pixel được tính theo công thức sau:

 MRI (Magnetic Resonance Imaging)

Khi được đặt trong một từ trường ngoài B0 thì một hạt nhân có thể có một trong 2I+1 mức năng lượng (trong đó I là số spin của hạt nhân), mỗi mức năng lượng tương ứng:

Em=-𝛾ħ𝐵0𝑚 (1.8)

m = -I, -(I-1), …, I-1, I

𝛾 : tỉ số Larmor (tỉ số hồi chuyển từ, đơn vị: Hz/T)

ħ=h/2𝜋, trong đó h là hằng số Plank

Khi hạt nhân chuyển mưsc năng lượng nó có thể phát ra một photon có năng lượng đúng bằng chênh lệch giữa 2 mức năng lượng Nếu hai mức năng lượng đó kế tiếp nhau thì tần số của photon có thể tính qua công thức Larmor Các thiết bị MRI hiện nay thường

sử dụng từ trường cường độ 0,5 đến 1,5T với cường độ đó các hạt nhân hydro phát ra tín hiệu có bước sóng từ 21,3MHz đến 63,9 MHz (nằm trong dải tần radio)

Để chuẩn mức năng lượng cho hạt nhân ta sử dụng các chuỗi xung radio (RF pulse sequence) Do tác dụng của các xung này các vector Mxy, Mz sẽ đổi hướng và trong quá trình hồi phục lại sẽ phát ra các photon, tín hiệu photon này được gọi là tín hiệu cộng hưởng từ (magnet resonance signal) Nguyên tắc thu tín hiệu dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (định luật Faraday) cho biết một số thông tin trong cấu trúc mạng

Tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh nếu mật độ photon càng cao Do đó ảnh MRI cho kết quả tốt với các loại mô mềm như não, tủy sống nhưng không có hiệu quả cao với các loại mô cứng như xương

 Siêu âm

Trong phương pháp siêu âm ta thương dùng các tinh thể áp điện phát các xung siêu

âm trong khoảng 1MHz đến 20 MHz xuyên qua mô, sau đó thu tín hiệu phản hồi trên các

mô và tái tạo thành hình ảnh

Ảnh siêu âm có kết quả tốt với các mô thuộc vùng bụng như thai nhi, gan, thận… nhưng không hiệu quả với những loại mô xương và mô có chứa nhiều khí như phổi,…

Do ảnh siêu âm có độ phân giải thấp nên kĩ thuật dựng ảnh 3D từ ảnh cắt lớp siêu âm phức tạp hơn so với ảnh cắt lớp CT và MRI

Các ảnh được sinh ra từ cá 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

1.2.3.2 Chuẩn DICOM

DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine): Tiêu chuẩn ảnh và truyền thông trong y tế, được phát triển từ năm 1988, là quy chuẩn về định dạng và trao đổi ảnh y tế cùng các thông tin liên quan, từ đó tạo ra một phương thức chung nhằm đáp ứng nhu cầu của các nhà sản xuất cũng như người sử dụng trong việc kết nối, lưu trữ, trao đổi, in ấn ảnh y tế Một File ảnh DICOM ngoài dữ liệu hình ảnh còn chứa những thông tin dạng Text như: thông tin bệnh nhân, loại thiết bị chụp chiếu tạo ra hình ảnh…

a Mục tiêu của chuẩn DICOM

Định ra ngữ nghĩa của lệnh và các dữ liệu liên quan, đưa ra các chuẩn cho các thiết bị tương tác lệnh và dữ liệu với nhau

Định ra ngữ nghĩa của dịch vụ file, định dạng file và các thư mục thông tin cần thiết cho truyền tin ngoại tuyến

Định rõ các yêu cầu thích nghi của ứng dụng thực hiện chuẩn, cụ thể một bản báo cáo thích nghi phải định ra đầy đủ thông tin để xác định các chức năng có thể đáp ứng

Tạo thuận lợi cho hoạt động trong môi trường mạng thông tin

Có cấu trúc thuận lợi cho phép đáp ứng với các dịch vụ mới, vì thế có thể hỗ trợ các ứng dụng hình ảnh y tế trong tương lai

b Cấu trúc của chuẩn ảnh DICOM

 Các thành phần của định dạng DICOM:

- Thích nghi: Định nghĩa các nguyên tắc thực thi chuẩn gồm các yêu cầu thích nghi

và báo cáo thích nghi CS (Conformance Statement)

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

- 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

Hình 1 12: Dicom và mô hình tham chiếu OSI

 Định dạng file DICOM: gồm 2 phần là header và dữ liệu ảnh

 Header:

- Tên và ID của bệnh nhân

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

- Kích thước ảnh, máy sinh ảnh,…

Ví dụ:

Hình 1 13: Thông tin file DICOM

Trong hình 1.13: 794 bytes 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 1.14 là ví dụ về một ảnh MRI với số Frames, Rows, Columns tương ứng được chụp: 109*91*2=19838 bytes Như vậy ta tính sẽ được kích thước của ảnh

Hình 1 14: Một trường của ảnh DICOM

 Dữ liệu ảnh:

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

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

- 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

- 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 DICOM:

Thông tin đầu file (Header): gồm các định danh bộ dữ liệu được đưa vào file Nó bắt đầu bởi 128 byte file Pream ble (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 Các thành phần dữ liệu này có nhãn dạng (0002, xxxx), được mã hóa theo cú pháp chuyễn đổi VR ẩn và Little Endan

Hình 1 15: Cấu trúc flie DICOM

Bộ dữ liệu: Mỗi file chỉ chứa một bộ dữ liệu thể hiện 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 lặp với chức năng liên quan ở lớp khuôn dạng trung gian Nếu cần thiết các thông tin sau sẽ được đưa ra bởi một lớp khuôn dạng trung gian:

- Định danh sở hữu nội dung file

- Thông tin truy nhập (ngày giờ tạo)

- Điều kiện 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 1 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 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 Các field trong Data Element mô tả đầy đủ thông tin bao gồm: ý nghĩa, giá trị, chiều dài và định dạng dữ liệu của tin

 Tag: là 2 số nguyên không dấu, mỗi số 16 bit Xác định ý nghĩa của Data Element như tên bệnh nhân, chiều cao của ảnh, số bit màu,… một số Group Number và số kia xác định Element Number Các thông tin (Data Element) cùng liên quan đến một nhóm ngữ nghĩa có chung Group Number

 VR (Value Representation): đây là field tùy chọn, tùy thuộc vào giá trị của tranfer 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

 VM (Value Multiplicity): cho biết số lượng giá trị của Value Field Nếu số lượng Value không xác định, VM sẽ có dạng “a-b” với a là số giá trị Value nhỏ nhất và b là số Value lớn nhất có thể có cuả Data Element

 Value Length: là một số nguyên không dấu, có độ dài là 16 hay 32 bit Giá trị của Value Length cho biết độ lớn (tính theo byte) của field Value 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 của field này

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

 Transfer Syntax: Tranfer Syntax là các quy ước định dạng dữ liệu Giá trị của Tranfer Syntax cho biết cách dữ liệu được định dạng và mã hóa trong DICOM động thời cho biết VR sẽ có tồn tại trong Data Element hay không Mặc định ban đầu, Tranfer Syntax của file DICOM là Explicit VR Little Endian Tranfer Syntax

 Information Object Definiton (IOD): đại diện cho một đối tượng chứa thông tin và đối tượng này có tồn tại trong thế giới thực Có 2 loại IOD: Compsite IOD và Normalized IOD

 Lớp Service Object Pair: lớp SOP được tạo ra khi ghép một IOD với DIMSE Service dành cho IOD đó Có 2 loại lớp SOP: Normalized SOP và Composite SOP

1.2.4 Phương pháp tái tạo ảnh 3D

Phương pháp tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song trong y tế được xếp vào dạng trực quan hóa 3 chiều (3D visualization) cho tập dữ liệu có cấu trúc Phương pháp này được thực hiện theo các bước sau:

1.2.4.1 Sắp xếp dữ liệu

Dữ liệu vào là các lát cắt song song, ta cần sắp xếp dữ liệu 2 chiều này theo đúng thứ tự của chúng trong không gian thành khối dữ liệu (data volume) Khoảng cách giữa các lát cắt thông thường giống với khoảng cách giữa chúng trong thực tế Mỗi Pixel của ảnh 2 chiều sẽ trở thành 1 nút trong khối dữ liệu này, các nút này gọi là voxel Giá trị mỗi voxel chính là giá trị của pixel ứng với nó, thường là độ xám

Hình 1 17: Sắp xếp các lát cắt song song để tạo khối dữ liệu

1.2.4.2 Biểu diễn (Rendering)

Bước này sẽ biểu diễn khối dữ liệu thành hình ảnh Tùy thuộc mục đích sẽ có nhiều cách biểu diễn khác nhau:

a Biểu diễn trên nhiều mặt phẳng (Multiplanar Rendering- MPR)

Kỹ thuật này dùng một hoặc nhiều mặt phẳng cắt ngang qua khối dữ liệu Với cách này sẽ quan sát được các Voxel nằm trên thiết diện ảo bởi mặt phẳng cắt và khối dữ liệu

kỹ thuật này đơn giản, không đòi hỏi tính toán nhiều và có thể cắt lớp các cấu trúc giải phẫu theo nhiều phương khác nhau

b Biểu diễn bề mặt (Surface Rendering- SR)

Kỹ thuật này biểu diễn ảnh 3 chiều như một tập các bề mặt đượ gọi là iso- surface Mỗi bề mặt có chứa các điểm có cường độ tương tự (được gọi là iso- value) trên tất cả các lát cắt Kỹ thuật được sử dụng khi chúng ta muốn nhìn thấy bề mặt của một cấu trúc riêng biệt từ cấu trúc gần, ví dụ như các lát cắt hộp sọ, hệ thống mạch máu từ các lát cắt của cơ thể Kỹ thuật SR thường được sử dụng cho dữ liệu có độ tương phản cao

 Có 2 phương pháp chính để tạo bề mặt trong tái tạo iso- surface:

 Tái tạo bề mặt từ các đường viền (contour base data): Để tạo bề mặt cần 2 bước trích biên và tái tạo bề mặt

Trích biên: dùng các thuật toán trích biên để tạo các đường biên trên mỗi lát cắt Việc trích biên có thể thục hiện tự động hoặc thủ công Có một số thuật toán trích biên như LOG của Marr và Canny, thuật toán Snake model của Tezopoulos, thuật toán Ballon của Cohen, thuật toán Level set của Leventon,… Với dữ liệu có cấu trúc như các ảnh cắt lớp song song, có thể sử dụng thuật toán Marching square

Marching square được sử dụng cho dữ liệu dạng lưới 2 chiều Ý tưởng của phương pháp này là tạo ra một đường cong mô tả cho một giá trị vô hướng trong lưới dữ liệu, giá trị này gọi là isovalue

Hình 1 18: Minh họa thuật toán Marching square (đường cong mô tả giá trị trong

lưới dữ liệu)

Đường nối giữa 2 cạnh của một ô lưới (Cell) trong phương pháp này là đường thẳng Giao điểm của đường nối này với các cạnh được tính bằng nội suy tuyến tính từ các giá trị ở các đỉnh nằm trên cạnh đó Giả sử các đỉnh của ô sẽ nằm trong đường nối nếu giá trị tại đó lớn hơn giá trị isovalue và nằm ngoài nếu nhỏ hơn Có 24 =16 cách tạo

ra các đường này

Hình 1 19: 16 trường hợp Marching square

Các bước thực hiện Marching square:

 Chọn một ô

 Tính toán trạng thái trong, ngoài của mỗi đỉnh của ô

 Tìm “Topological state” của ô để quyết định đường nối sẽ đi qua cạnh nào của

“cell”

 Tính toán giao điểm của các đường với các cạnh của ô

 Chuyển (March) tới ô khác

Phương pháp Marching square có ưu điểm là giúp tính toán nhanh nhưng nhược điểm là trong một số trường hợp ta có nhiều cách tạo ra các đường đi qua “cell” và có thể tạo ra những lỗ

Tái tạo bề mặt: sau khi đã xác định được các đương viền ta xây dựng một mặt từ các đường này Các phương pháp phổ biến được dử dụng hiện nay có phương pháp Keppel (1975), phương pháp của Fush (1977), hay của Ekoule, Peyrin, Odet (1991)

Hình 1 20: Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền

Tái tạo bề mặt từ dữ liệu khối (voxel base reconstruction): Được xây dựng trực tiếp

từ các voxel có cương độ giống nhau Một trong những thuật toán nổi bật nhất là Marching Cube (William E.Lorensen và Harvey E.Cline, 1985)

Biểu diễn khối (Volume Rendering- VR):

Biểu diễn khối là kỹ thuật chuyển trực tiếp các dữ liệu khối từ khối dữ liệu đã được sắp xếp thành các pixel trên màn hình Hình ảnh được biểu diển bằng cách chiếu tia xuyên qua khối dữ liệu Dọc theo mỗi tia, độ mời và màu sắc sẽ được tính toán tại mỗi voxel Sau đó, thông tin tính theo mỗi tia được tổng hợp thành một điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh Kỹ thuật này giúp ta nhìn thấy toàn diện toàn bộ cơ cấu nhỏ gọn của đối tượng Một trong những nhược điểm của kỹ thuật này là có số lượng tính toán lớn, trong

đó yêu cầu máy tính có cấu hình cao Kỹ thuật này phù hợp với dữ liệu tương phản thấp

1.2.4.3 Quy trình chuyển đổi khối dữ liệu thành hình ảnh

Quy trình chuyển đổi khối dữ liệu thành hình ảnh gọi là biểu diễn khối (hay biểu diễn thể tích) Thông thường biểu diển thể tích có 3 bước sau:

- Tạo một RGBA volume từ khối dữ liệu: Một RGBA volume là một tập hợp các vector 4 chiều, thành phần đầu tiên R là giá trị Red, G là giá trị Green, B

là giá trị Blue và cuối cùng A là giá trị độ chắn sáng (opacity) A=0 ta có vật trong suốt hoàn toàn, A=1 ta có vật chắn sáng hoàn toàn

- Xây dựng một hàm liên tục từ các giá trị rời rạc

- Chiếu lên mặt phẳng ảnh (Image plane) từ một điểm nào đó

Có 2 kỹ thuật chính đối với các tia chiếu:

Object- Order: Tia chiếu sẽ đi qua khối dữ liệu từ sau ra trước (từ khối dữ liệu ảnh tới mặt phẳng ảnh) Dữ liệu được chiếu lên một mặt phẳng ảnh Kết quả mỗi voxel để lại trên mặt phẳng gọi là các footprint Một dạng của phương pháp này trải dữ liệu lên một mặt phẳng gọi là Splatting (Lee Westover, 1990)

Hình 1 21: Minh họa kỹ thuật Object- order

a) Texture mapping plane- by- plane

b) Splatting cell- by- cell

Image –order: Ảnh được quét lần lượt từng pixel, các tia chiếu ra (Ray) từ mỗi pixel

đi xuyên qua thể tích để xác định giá trị màu sắc cuối cùng cho mỗi pixel (từ trước ra sau) Biểu diễn image- order còn gọi là phương pháp Ray Casting

Hình 1 22: Minh họa kỹ thuật Ray casting

1.2.4.4 Các phương pháp tạo bố cục ảnh (Image composition)

Trong quá trình tia chiếu đi qua khối dữ liệu thì tia chiếu sẽ ghi lại những thông tin từ các voxel Tuy nhiên tùy theo mục đích ta sẽ có các cách tổng hợp khác nhau từ các dữ liệu trên mỗi tia chiếu Kết quả tổng hợp này sẽ quyết định những gì được thể hiện trên ảnh Các phương pháp tạo bố cục cho ảnh thường được sử dụng là X-ray, MIP (Maximum Intensity Projection), MinIP (Minimum Intensity Projection), alphacompositing và NPVR (Non- Photorealistic Volume Rendering)…

X-ray: phương pháp này tính tổng các giá trị ghi nhận được trên tia chiếu để tạo nên giá trị điểm ảnh

Phương pháp MIP: Sử dụng giá trị lớn nhất của các biến trong khối dọc theo một tia vuông góc với mặt phẳng nhìn (view plane) để tạo giá trị của mỗi điểm ảnh Phương pháp này ban đầu nhiều bất tiện vì phải truy nhập rất nhiều voxel, tuy nhiên giờ đây đã có rất nhiều cải tiến

Phương pháp MinIP: trái ngược với phương pháp MIP khi sử dụng giá trị nhỏ nhất dọc theo tia để tạo điểm ảnh

Phương pháp Alpha compositing: (còn gọi là Translucency/ opacity) thường được

sử dụng phổ biến nhất Trong phương pháp này các gia số (density value) được đưa vào dọc theo tia để tạo ra màu sắc và độ trong suốt cho ảnh Giá trị của tia chiếu tại mỗi voxel

có thể tính theo công thức

- Dạng tia đi từ sau ra trước

V(i) = V(i-1).(1-a(i)) + c(i).a(i) (1.9)

- Dạng tia đi từ trước ra sau

V(i) = V(i-1) + c(i).a(i).(1-a(i)) (1.10)

Trong đó:

V(i): giá trị của tia chiếu đi ra khỏi voxel thứ i

V(i-1): giá trị của tia chiếu đi ra khỏi voxel thứ i-1

a: giá trị được chọn để điều khiển độ chắn sáng

c: giá trị được chọn để điêu khiển độ chói

Volume render là một kỹ thuật khó vì những lý do sau:

Thứ nhất: ở bước shading (tính toán màu sắc) và classification (tính toán độ chắn sáng) ta phải xác định màu sắc và độ chắn sáng cho toàn bộ khối

Thứ hai: là khâu tia chiếu, ta phải xét sự tương tác của ánh sáng khuyếch tán bên trong vật thể, phải tạo ra vật thể có dạng bán trong suốt

Thứ ba: là hiệu quả, dữ liệu khối rất lớn và có tính tương tác cao nên đòi hỏi phải tính toán nhiều, dữ liệu phát sinh trong quá trình tính toán rất lớn

Để tăng tốc tính toán trong phương pháp này, ta thường tìm cách sắp xếp lại dữ liệu

để đạt hiệu quả tính toán cao Ví dụ sắp xếp dữ liệu dưới dạng cây bằng phương pháp Hierarchical volume rendering,…

1.3 Tổng quan về lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh y tế sử dụng hình ảnh 3D hiện nay

Hiện nay việc quét 3D ngày càng trở nên hữu ích trong lĩnh vực y tế Một máy quét 3D

có khả năng nắm bắt những phép đo 3D trên khuôn mặt con người và cơ thể mỗi người một cách dễ dàng và nhanh chóng Vì mỗi người là cá thể duy nhất, các học viên y tế có thể sử dụng thông tin này để tạo ra các sản phẩm y tế cho các bệnh nhân của họ Ứng dụng trong y học là không giới hạn:

Hình 1 23: Mô hình quét hàm răng 3D

·Nha khoa: tạo niềng răng, hàm, và bảo vệ miệng

·Mặt: tạo các mô hình mặt nạ điều trị các nạn nhân bỏng

·Tay: Làm găng tay tùy biến cho bệnh nhân

·Các bộ phận cơ thể khác: Làm chân tay giả

Dưới đây là một số lợi ích của việc sử dụng công nghệ quét 3D trong y học:·Khả năng Chụp đo 3D nhanh chóng : Máy quét 3D có thể nắm bắt một lần quét chỉ trong vài giây Chúng có thể có được những phép đo 3D một cách nhanh chóng và được phân tích ngay lập tức với từng bệnh nhân Tốc độ quét nhanh ngăn cản bệnh nhân di chuyển trong suốt quá trình quét 3D Máy quét ánh sáng trắng cũng được an toàn cho mắt khi quét khuôn mặt.·Quét bệnh nhân mà không tiếp xúc : Máy quét 3D không tiếp xúc trực tiếp mà vẫn quét được các bộ phận trên cơ thể bệnh nhân để đảm bảo không có sự can thiệp đo Có những trường hợp bác sĩ không được tiếp xúc với cơ thể bệnh nhân khi nạn nhân bị cháy, máy quét 3D sẽ làm được điều này.·Kết quả phù hợp dù quét nhiều lần: Máy quét 3D cho

ra kết quả hoàn toàn giống nhau ngay cả khi được sử dụng bởi các học viên y tế khác nhau.·Dễ dàng vận hành và đào tạo cơ bản: Các học viên y tế có thể được đào tạo tương đối nhanh chóng làm thế nào để vận hành một máy quét 3D cho việc sử dụng hàng

ngày.·Thời gian quay vòng nhanh hơn: Thông thường những khuôn mẫu vật lý cần phải được vận chuyển từ bệnh viện đến phòng thí nghiệm Với chức năng quét 3D, toàn bộ quá trình được thực hiện bằng điện tử để đo lường một bệnh nhân có thể được gửi đến các địa điểm khác nhau trên mạng.Một nghiên cứu về tạo chân chỉnh hình với quét 3D

Hình 1 24: Mô hình tạo chân chỉnh hình với quét 3D

Theo truyền thống, bệnh nhân sẽ thăm một podiatrist và đi qua một quá trình đúc dài

và sâu để có được một đôi đế giày bằng thạch cao Cả bệnh nhân và các học viên đều nhận thấy rằng đây là một quá trình mất rất nhiều thời gian và tốn kém mà thường mang lại kết quả không hoàn toàn chính xác.Vì vậy, môt nhóm các công ty đã kết hợp với giải pháp 3D để tạo ra một giải pháp lâm sàng cụ thể để đúc chân kết hợp công nghệ quét 3D với lý thuyết y tế tiên tiến Máy quét sử dụng công nghệ 3D ánh sáng trắng Giải pháp này sẽ chỉ mất một vài giây để tạo ra một mô hình kỹ thuật số của vật thể Sauk hi quét xong, các học viên xem quá trình quét chân vào một số vị trí mong muốn, nhập theo toa dụng cụ chỉnh hình tương ứng và ngay lập tức gửi hồ sơ đến phòng thí nghiệm để sản xuất Rất nhanh chóng và tiện lợi

Công nghệ in 3D đang mở ra một trang mới trong ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống với khả năng “in” ra những mẫu vật thật, thậm chí là một chiếc máy bay Với những tiến bộ đáng ngạc nhiên trong công nghệ in 3D, cơ thể con người một ngày nào đó

có thể được xem như một hệ thống với các bộ phận thay thế được

Hình 1 25: Mô hình mạch máu thông qua công nghệ in 3D

In 3D là một quy trình tạo nên các vật thể rắn 3 chiều từ một tập tin kỹ thuật số Bí mật của công nghệ in này là mực in – một loại bột đặc biệt làm từ titan, nhựa, silicon… khi

“in” sẽ được kết dính với nhau bằng loại keo đặc biệt và tạo nên hình 3D theo mô phỏng Trên khắp thế giới, người ta đã bắt đầu mày mò để ứng dụng công nghệ in 3D vào hàng loạt lĩnh vực, trong đó có y tế, với khả năng tạo ra các bộ phận giả cho con người In 3D

có thể giúp các bác sĩ nhanh chóng tạo ra giải pháp chữa bệnh mà không quá tốn kém hay mất thời gian Chẳng hạn, các liệu pháp thông thường đối với những bệnh nhân bị vỡ khung chậu do tai nạn xe hơi vẫn là chụp X quang hay chụp cắt lớp (chụp CT) phần xương bị gãy, lên kế hoạch phẫu thuật và tiến hành ghép xương Tuy nhiên, việc này sẽ hiệu quả hơn nếu quét phần khung chậu của nạn nhân và tái tạo phần xương vỡ bằng kỹ thuật in 3D Các bác sĩ phẫu thuật sẽ có ngay các phần xương vỡ được in, thiết kế các phần xương thay thế cần thiết và sẵn sàng ca mổ.Một ứng dụng của công nghệ in 3D hiện

đã mang lại doanh thu trong ngành kinh doanh y tế đó là chế tạo chân răng, cầu răng, bộ phận cấy ghép nha khoa Với quy trình chế tạo răng, răng của bệnh nhân sẽ được quét ngay trong vòm miệng và số hóa Sau đó dữ liệu được đưa lên máy tính và được gửi đến một phòng thí nghiệm nha khoa để tiến hành tạo hình một cầu răng bằng sứ mới Qua phương thức này, răng giả sẽ được tạo ra với độ chính xác cao hơn và nhanh hl8ơn Không dừng lại ở đó, hồi tháng 2 năm nay, một cụ bà 83 tuổi người Bỉ được công bố là bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được “đúc” toàn bộ bộ hàm mới nhờ máy in xương công nghệ 3D, có thể nhai, nói và thở bình thường ngay sau phẫu thuật Để có được bộ hàm mới, các bác sỹ tiến hành chụp cộng hưởng từ (MRI scan) xương hàm ốm của bệnh nhân

để lấy hình dạng chuẩn, sau đó họ đưa lát chụp này lên máy đúc lazer Máy in công nghệ 3D nấu chảy các phân tử titan rồi đổ chúng theo từng lớp tới khi hoàn thành việc tái tạo một bộ khung xương mới Cuối cùng chiếc xương hàm được tráng một lớp sứ tương thích sinh học