ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT LẬP PHẦN MỀM XỬ LÝ VÀ HP NHẤT 3 CHIỀU HÌNH ẢNH CHẨN ĐOÁN Y KHOA CBHD : TS. Huỳnh Quang Linh SVTH : Trần Phan Sơn Giang Tp. HCM, Tháng 01/2007 i ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến người Thầy, giáo viên chủ nhiệm và đồng thời là Trưởng Khoa khoa Khoa Học Ứng Dụng – Tiến só Huỳnh Quang Linh. Trong suốt những năm học tại Khoa, Thầy đã cung cấp cho tôi những kiến thức vô giá và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể tiếp cận với các công nghệ cao cấp trong lónh vực trang thiết bò chẩn đoán hình ảnh y khoa. Nhờ thế mà tôi có được nền tảng vững chắc để có thể hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn Thầy. Tôi cũng muốn gởi lời cảm ơn đến tập thể Cán bộ, Bác só, Kỹ sư và đội ngũ kỹ thuật viên Khoa Chẩn Đoán Hình Ảnh bệnh viện Chợ Rẫy Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ tôi trong khoảng thời gian thực tập tại khoa, giúp tôi có được những tư liệu q báu hỗ trợ cho quá trình thực hiện luận văn. Luận văn này thuộc một lónh vực kỹ thuật khá mới mẻ tại Việt Nam, nên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai sót về mặt từ ngữ chuyên môn. Mong quý Thầy Cô và các bạn nghiên cứu có thể góp ý để về sau chúng ta có được thuận lợi khi học tập và giao tiếp trong lónh vực kỹ thuật này. Xin chân thành cảm ơn. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này đã thực hiện khảo sát một cách chi tiết các kỹ thuật dùng để hợp nhất ảnh 3 chiều thu nhận từ ảnh 2 chiều cắt lớp của nhiều thiết bò chẩn đoán hình ảnh y học khác nhau như CT, MRI, SPECT, PET. Trên cơ sở đó, căn cứ vào tốc độ, kết quả và độ linh hoạt đã rút ra nhận đònh rằng hình thức hợp nhất bán tự động dựa vào cường độ là một kỹ thuật có ưu thế hơn nhiều kỹ thuật khác và khả thi trên máy PC. Phần thực hành đã ứng dụng kỹ thuật này để thiết kế một phần mềm hợp nhất hình ảnh 3 chiều trên nền ngôn ngữ lập trình MATLAB. Sau khi tính toán thử nghiệm và so sánh với các phần mềm khác, phần mềm thực hiện được chứng tỏ tính hiệu dụng trong khả năng áp dụng thực tiễn và có giá trò đáng kể phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy. Phương pháp có tiềm năng phát triển thành một kỹ thuật hợp nhất hoàn toàn tự động mà trong tương lai không xa sẽ là một bộ phận xử lý ảnh không thể thiếu được của các thiết bò chẩn đoán hình ảnh y khoa. iv ABSTRACT Thesis carried out a detailed survey of techniques used to register 3D medical image of different modalities such as CT, MRI, SPECT, PET. On base of mentioned survey, a semi- automatic intensity-based technique is found to be more available than others by comparing their speed, image quality and robustness. Using this technology, software is developed to registered three-dimensional volume image by MATLAB. After validation and comparing with some other software, the software is found to be significally useful in medical research and education. Furthermore, there is a great perspective to develop this software to a fully automatic registration routine, which will be indispensable registration routine in most of modern medical imaging modalities. v MỤC LỤC ĐỀ MỤC Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục v Danh mục các chữ viết tắt ix Danh mục các hình ảnh x CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1 1.1 Tổng quan 1 1.2 Nhu cầu 4 1.3 Nhận đònh vấn đề 7 1.4 Mục tiêu luận văn 8 CHƯƠNG 2 : NỀN TẢNG NGHIÊN CỨU 9 2.1 Các phương tiện hiển thò hình ảnh y khoa 9 2.1.1. Thiết lập và biểu diễn ảnh 9 2.1.2. Hiển thò hình ảnh cộng hưởng từ 12 2.1.3. Chụp cắt lớp điện toán 13 2.1.4. Chụp cắt lớp phát xạ positron 13 2.1.5. Chụp cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon 14 2.2 Hợp nhất hình ảnh 15 vi 2.2.1. Không gian đặc điểm 16 2.2.2. Xác đònh sự tương đồng 17 2.2.3. Không gian nghiên cứu 18 2.2.4. Chiến lược nghiên cứu 29 2.2.5. Các ứng dụng hợp nhất hình ảnh 20 2.3 Đònh dạng hình ảnh số 20 2.3.1. Ảnh tiêu chuẩn DICOM 20 2.3.2. Một số đònh dạng ảnh khác có liên quan 24 CHƯƠNG 3 : KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP HP NHẤT 26 3.1 Tổng quát 26 3.2 Tiêu chuẩn phân loại 27 3.2.1. Nguồn ảnh 27 3.2.2. Bản chất của phép biến đổi 28 3.2.3. Mức độ tự động 29 3.3 Phân loại 30 3.4 Hợp nhất hình ảnh theo hình thức đánh dấu 30 3.4.1. Hệ thống khung cố đònh 32 3.4.2. Các cấu trúc đánh dấu 34 3.4.3. Điểm đánh dấu 35 3.5 Hợp nhất hình ảnh có tương tác 36 3.5.1. Điểm và cấu trúc tương đồng 37 3.5.2. Hợp nhất trực quan tăng cường 38 3.6 Hợp nhất hình ảnh theo đặc điểm 39 3.6.1. Trục nguyên lý và moments 40 3.6.2. Bề mặt 42 vii 3.6.3. Đặc điểm cao cấp 43 3.7 Hợp nhất hình ảnh theo cường độ 44 3.7.1. Tương đồng voxel 44 3.7.2. Thông tin tương hỗ 46 3.8 Thực nghiệm các kỹ thuật hợp nhất 47 3.9 Thảo luận 49 CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM TRÊN NỀN MATLAB 7.0 53 4.1 Cơ sở lý thuyết 53 4.1.1. Hình thức hợp nhất sử dụng 53 4.1.2. Nguyên lý hợp nhất ảnh 2 chiều cơ bản 53 4.1.3. Nguyên lý tái tạo ảnh 3 chiều 55 4.1.4. Nguyên lý hợp nhất ảnh 3 chiều 56 4.2 Trình tự thiết kế phần mềm hợp nhất hình ảnh 3 chiều 57 4.2.1. Thiết kế giao diện trình duyệt ảnh 57 4.2.2. Xây dựng công cụ hợp nhất ảnh 2 chiều 59 4.2.3. Xây dựng trình duyệt ảnh 3 chiều 61 4.2.4. Thiết lập ảnh 3 chiều hợp nhất 66 4.2.5. Xây dựng một số công cụ cho trình duyệt ảnh 3 chiều 67 4.3 Đánh giá kết quả đạt được và so sánh 68 4.3.1. Trình duyệt ảnh y khoa 68 4.3.2. Trình duyệt ảnh 3 chiều 75 4.4 Tổng kết 83 CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN 85 5.1 Đánh giá kết quả nghiệm thu 85 viii 5.1.1. Đối với trình duyệt ảnh y khoa 85 5.1.2. Đối với kỹ thuật hợp nhất hình ảnh 85 5.1.3. Đối với trình duyệt ảnh 3 chiều 85 5.2 Đònh hướng phát triển 86 THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 91 ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AIR : Automated Image Registration Bộ công cụ hợp nhất hình ảnh tự động CT : Computed Tomography Chụp cắt lớp điện toán DICOM : Digital Imaging and Communications in Medicine Hiển thò hình ảnh số và giao tiếp trong y khoa EEG : Electroencephalogram Điện não đồ MI : Mutual Information Thông tin tương hỗ MRI : Magnetic Resonance Imaging Hiển thò hình ảnh cộng hưởng từ PET : Positron Emission Tomography Chụp cắt lớp phát xạ positron SPECT : Single Photon Emission Computed Tomography Chụp cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon SPM : Statistical Parametric Mapping Bộ công cụ thiết lập phác đồ các số liệu thống kê x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 : Thang độ sáng và độ tương phản của ảnh y khoa 23 Hình 2 : Biểu diễn một lớp cắt trong không gian tọa độ xyz 55 Hình 3 : Giao diện cơ bản của trình duyệt ảnh y khoa 59 Hình 4 : Đồ thò biểu diễn độ trong suốt thay đổi theo 64 giá trò 65 Hình 5 : Duyệt hình ảnh với nhiều đònh dạng 72 Hình 6 : Duyệt một hồ sơ ảnh của bệnh nhân 73 Hình 7 : Phần mềm duyệt ảnh y khoa SyngoView 73 Hình 8 : Các thao tác tiền xử lý ảnh 74 Hình 9 : Kết quả hợp nhất hình ảnh 75 Hình 10 : Trình duyệt ảnh 3 chiều 78 Hình 11 : Ảnh 3 chiều hợp nhất của đầu người 78 Hình 12 : Một khối ảnh hợp nhất được lựa chọn 79 Hình 13 : Ảnh 3 chiều hợp nhất của não bộ con người 79 Hình 14 : Hợp nhất ảnh 3 chiều 80 Hình 15 : Ảnh 3 chiều từ phần mềm 3D-Doctor và 3D-Slicer 80 Hình 16 : Trình duyệt ảnh 3 chiều của phần mềm SyngoView 81 Hình 17 : Ảnh 3 chiều của não bộ tái tạo từ bộ công cụ SPM 82 [...]... điều n y, các khối ảnh xem như đã được hợp nhất Việc làm n y gọi chung là hợp nhất hình ảnh (registration) Thực hiện hợp nhất hình ảnh từ nhiều phương tiện chẩn đoán hình ảnh khác nhau có thể gọi là hợp nhất hình ảnh đa mô hình (multimodal registration) Tiến hành việc n y đã đặt ra nhiều điều cần bàn luận xung quanh vấn đề liên quan đến mô hình chụp, ảnh và bệnh nhân Vấn đề về mô hình Mỗi mô hình hiển... x y dựng một phần mềm hợp nhất hình ảnh 3 chiều bằng MATLAB, thử nghiệm và đánh giá qua dữ liệu khảo sát và so sánh với những kết quả hợp nhất đã công bố Với mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận văn bao gồm : 1) Khảo sát đặc trưng ảnh của các thiết bò chẩn đoán hình ảnh khác nhau 2) Khảo sát chi tiết về những phát triển trong các phương pháp hợp nhất hình ảnh đa mô hình đã có 3) Lựa chọn kỹ thuật hợp nhất. .. thuật hợp nhất hình ảnh đa mô hình tối ưu để x y dựng phần mềm xử lý và hợp nhất ảnh 3 chiều trên nền MATLAB 4) Thử nghiệm chương trình và đánh giá phương pháp hợp nhất qua các dữ liệu khảo sát 5) Xác đònh những đònh hướng phát triển cho phương thức hợp nhất n y 8 Luận Văn Tốt Nghiệp CHƯƠNG 2 : 2.1 Trường ĐHBK Tp.HCM 2007 NỀN TẢNG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG TIỆN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Y KHOA Phần lớn kiến thức... bé, không đáng kể) Tuy nhiên, khi xét đến hiển thò hình ảnh y khoa thì phải bỏ qua mối quan hệ giữa góc nhìn và vật ảnh Quá trình thiết lập ảnh phức tạp hơn nhiều, gồm nhiều viễn cảnh kết hợp với nhau để tạo nên một ảnh riêng lẻ Quan trọng hơn, các hình ảnh y khoa còn có một chiều thứ 3 - chiều sâu - mà ta thường nhắc đến dưới tên gọi là bề d y lớp cắt của ảnh Nhờ vào cấu trúc vật lý của một lớp cắt... sinh học 2 chiều đơn giản chuyển hóa thành những hình ảnh 3 chiều 1 Luận Văn Tốt Nghiệp Trường ĐHBK Tp.HCM 2007 Cách đ y không lâu, hiển thò hình ảnh y khoa chỉ gói gọn trong kỹ thuật tạo hình trên phim, tuy rất hữu ích trong những đánh giá tổng quát nhưng những kỹ thuật n y thực sự gặp trở ngại trong những trường hợp chẩn đoán phức tạp Trong chẩn đoán tiền giải phẫu và lập kế hoạch điều trò, hình dạng... được những hình ảnh 3 10 Luận Văn Tốt Nghiệp Trường ĐHBK Tp.HCM 2007 chiều từ các thành phần ảnh 2 chiều Để thể hiện được đặc điểm phân biệt n y, cần phải có một thuật ngữ chuyên môn phù hợp Theo đònh nghóa thông thường của một ảnh, thì điểm ảnh tượng trưng cho một cấu trúc 2 chiều (1 tiết diện) bên trong vật ảnh Tuy nhiên, trong ngữ cảnh của hình ảnh y khoa, một cấu trúc được xác đònh theo 3 chiều (khối... sâu hoặc có thể chỉ là 256 x 256 pixels Như v y, khi ta tiến hành hợp nhất 2 ảnh khác nhau về kích thước, nếu không nắm rõ những thông tin n y để có sự điều chỉnh phù hợp thì ảnh hợp nhất thu được sẽ không như mong muốn Thang màu (Colortype) Grayscale : Thang xám Đ y là thang màu tiêu biểu cho tất cả các hình ảnh y khoa Hầu hết các hình ảnh y khoa chẩn đoán từ X-quang, siêu âm cho tới CT, MRI, X-quang... tượng của người chẩn đoán được Ngoài những hạn chế về xử lý tính toán, các ảnh phim lại giảm chất lượng theo thời gian, khiến cho hình ảnh bò hư hao đáng kể về mặt không gian và về sau sẽ g y ra những hạn chế về tính năng trong thông tin thu nhận được Ng y nay, hầu hết các ảnh y khoa đều được thiết lập dưới dạng ảnh số và sau đó được chuyển lên phim nếu cần Ưu điểm của việc hiển thò hình ảnh số là thông... dạng ảnh khác có liên quan Trong quá trình khảo sát ảnh y khoa, ngoài đònh dạng ảnh DICOM, cũng có trường hợp ảnh mang một số đònh dạng khác vì mục đích nhất đònh (độ phân giải, ảnh chức năng, ảnh động…) Khi nghiên cứu hợp nhất hình ảnh, ta phải nắm bắt thêm những đònh dạng ảnh khác cần thiết nhằm khắc phục những trở ngại khi hợp nhất những hình ảnh có tính chất khác nhau Trên cơ sở đó, có thể tái lập. .. (hồi suy) theo khía cạnh hiển thò hình ảnh Hawkes [19] đưa ra một hình thức phân loại dựa trên bản chất và phương chiều của sự biến dạng Little và Hawkes [4] kết hợp bài nghiên cứu về hợp nhất vật chất rắn với bài thảo luận về các kỹ thuật không tuyến tính Đ y là bài khảo sát về các kỹ thuật hợp nhất các cấu trúc bên trong hình ảnh não 3 chiều thu được từ các mô hình chụp ảnh SPECT, MRI, PET và CT Điểm . bản 53 4.1 .3. Nguyên lý tái tạo ảnh 3 chiều 55 4.1.4. Nguyên lý hợp nhất ảnh 3 chiều 56 4.2 Trình tự thiết kế phần mềm hợp nhất hình ảnh 3 chiều 57 4.2.1. Thiết kế giao diện trình duyệt ảnh. sơ ảnh của bệnh nhân 73 Hình 7 : Phần mềm duyệt ảnh y khoa SyngoView 73 Hình 8 : Các thao tác tiền xử lý ảnh 74 Hình 9 : Kết quả hợp nhất hình ảnh 75 Hình 10 : Trình duyệt ảnh 3 chiều 78 Hình. dấu 34 3. 4 .3. Điểm đánh dấu 35 3. 5 Hợp nhất hình ảnh có tương tác 36 3. 5.1. Điểm và cấu trúc tương đồng 37 3. 5.2. Hợp nhất trực quan tăng cường 38 3. 6 Hợp nhất hình ảnh theo đặc điểm 39 3. 6.1.