Đang tải... (xem toàn văn)
Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ quá trình xử lý ảnh X quang vú trên máy tính
NGUYỄN THU VÂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC xỬ LÝ THÔNG TIN NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH X QUANG VÚ TRÊN MÁY TÍNH NGUYỄN THU VÂN 2005 - 2007 Hà Nội 2007 Hµ Néi 2007 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến TS.Nguyễn Tiến Dũng, người ñã hướng dẫn em thực luận văn Chính bảo tận tình mặt chuyên môn, kiên nhẫn lời khuyên, lời ñộng viên kịp thời thầy ñã giúp ñỡ em nhiều từ bắt ñầu em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến PSG.TS.Nguyễn ðức Thuận ThS.Nguyễn Thái Hà ñã giúp ñỡ em mặt chuyên mơn, tạo điều kiện thuận lợi mặt thời gian suốt trình em thực luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng, bạn ðặng Hồng Thanh, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Việt Hồng Vũ Văn Q giúp đỡ nhiều viết luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tơi, nơi ln điểm tựa vững cho tơi suốt q trình học tập cơng tác LỜI NĨI ðẦU Ung thư vú bệnh phổ biến nữ giới Phát sớm ung thư nhân tố khả sống sót bệnh nhân Cho ñến nay, phương pháp hiệu ñể phát sớm dấu hiệu ung thư chụp ảnh X quang vú [1] Hiện nay, q trình qt đọc ảnh X quang vú, bác sĩ ñược hỗ trợ nhiều từ hệ thống máy tính Các thuật tốn máy tính giúp nâng cao chất lượng ảnh X quang vú, đưa vùng nghi ngờ có bệnh Ngồi ra, q trình đọc kỹ ảnh X quang gọi trình kiểm tra ảnh Một hệ thống máy tính thực kiểm tra ảnh X quang vú bao gồm thành phần thực công việc phân vùng ảnh, phát phân loại khối u, phát phân lại khối vi canxi hố Luận văn nghiên cứu trình bày thuật toán thực phân vùng ảnh X quang ñịnh vị khối u ảnh Thuật toán phân vùng ảnh sử dụng toán tử dựa lược ñồ xám ảnh ñể xác ñịnh ranh giới thành phần khác ảnh Nó sử dụng thuật tốn nhóm điểm ảnh để đưa tập hợp ñiểm ảnh biểu diễn vùng khác ảnh Thuật tốn định vị khối u sử dụng mức ñộ thay ñổi ñối sánh mẫu ñể ñịnh vị vùng nghi có bệnh Cuối cùng, sở liệu ảnh X quang vú ñã ñược chẩn đốn kiểm nghiệm kết thực tế ñược xây dựng ðó sở liệu chuẩn bao gồm ảnh ñược dùng làm mẫu, mẫu sử dụng q trình đọc ảnh X quang vú bệnh viện K, Hà Nội MỤC LỤC Chương - GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Mục đích luận văn 1.2 Cấu trúc luận văn .7 Chương - BỆNH UNG THƯ VÚ 2.1 Giải phẫu vú 2.1.1 Cấu trúc giải phẫu 2.1.2 Kích thước, hình dạng thay ñổi theo thời gian vú 10 2.1.3 Vị trí vú 12 2.2 Ung thư vú 13 2.2.1 Ung thư vú gì? 13 2.2.2 Nút bạch huyết .15 2.2.3 Nguyên nhân ung thư 18 2.2.4 Các giai ñoạn ung thư vú 21 2.3 Tạo ảnh tia X .22 2.3.1 Tạo ảnh X quang vú – Mammography 23 2.3.2 Các kiểu bất thường mà X quang vú chẩn đốn phát 29 2.3.3 Nền ảnh X quang vú 35 2.3.4 ðọc phim X quang vú 36 Chương - XỬ LÝ ẢNH SỐ 38 3.1 Ảnh số 38 3.2 Mơ hình xác suất thống kê 39 3.2.1 Lược ñồ xám 39 3.2.2 Giá trị trung bình (Mean) .42 3.2.3 ðộ lệch chuẩn 42 3.2.4 ðối xứng lệch (skewness) 43 3.3 Cải thiện ảnh 43 3.3.1 Các phép tốn với lược đồ xám 43 3.3.2 Lọc tích chập 46 3.3.3 Làm trơn ảnh 47 3.3.4 Làm sắc nét ảnh .48 3.4 Phân vùng ảnh 50 3.4.1 Phân vùng ảnh dựa ñường biên .50 3.4.2 Phân vùng ảnh dựa theo vùng 51 Chương - PHÂN VÙNG NHŨ ẢNH 53 4.1 Tầm quan trọng phân vùng ảnh ñúng cách .53 4.2 Thuật toán phân vùng ảnh 54 4.2.1 Phân vùng dựa lược ñồ xám 56 4.2.2 Phương pháp chênh lệch lược ñồ xám 56 4.2.3 Tìm ranh giới thành phần 63 4.2.4 Thêm bối cảnh không gian 67 4.2.5 Phân vùng ảnh X quang vú ñặc 71 4.3 Tổng kết trình phân vùng 73 Chương - PHÁT HIỆN CÁC KHỐI U TRÊN ẢNH X QUANG VÚ 74 5.1 Thuật tốn định vị khối u ảnh X quang vú số hóa 74 5.2 Thuật toán phát khối u 75 5.2.1 Một mẫu cho khối u ảnh X quang vú 75 5.2.2 Các phương pháp ñối sánh mẫu .79 5.2.3 Nhóm phân vùng vùng nghi ngờ 84 5.2.4 Cải thiện ña tỷ lệ 85 5.3 Tổng kết ñịnh vị khối u 87 Chương - HỆ THỐNG KIỂM TRA THUẬT TOÁN QUÉT .88 6.1 Các kết lọc ảnh 88 6.2 Nhóm nhóm pixel 89 Chương - KẾT LUẬN 100 7.1 Tổng kết 100 7.2 Phương hướng tương lai 100 Chương - GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Mục đích luận văn Ung thư vú loại ung thư thường gặp gây tử vong hàng đầu phụ nữ nhiều nước cơng nghiệp Theo Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Thế giới (IARC) vào năm 1998 ung thư vú đứng đầu, chiếm 21% tổng số loại ung thư phụ nữ tồn giới Cũng theo IARC, xuất độ chuẩn hóa theo tuổi ung thư vú phụ nữ 92.04 (trên 100,000 dân) châu Âu 67.48 (trên 100,000 dân) toàn giới vào năm 1998, ñều cao loại ung thư nữ giới [3] Ung thư vú ñang trở nên phổ biến nước ñang phát triển Tại Việt Nam, năm 1998, nữ giới, ung thư vú loại ung thư có tần suất cao Hà Nội với xuất độ chuẩn hóa theo tuổi 20.3 (trên 100,000 dân) cao thứ hai Thành phố Hồ Chí Minh với xuất độ chuẩn hóa theo tuổi 16 (trên 100,000 dân) sau ung thư cổ tử cung mà xuất độ chuẩn hóa theo tuổi 28.6 (trên 100,000 dân) [4] ðây bệnh phức tạp mà nhiều năm qua có nhiều nghiên cứu nguyên nhân, bệnh sinh ñiều trị Một ñiều quan trọng cần phải nhận thấy việc phát sớm ung thư vú qua tầm soát phụ nữ bình thường làm thay đổi rõ ràng bệnh sử tự nhiên bệnh cải thiện ñáng kể tiên lượng bệnh Cho ñến nay, phương pháp hiệu ñể phát ung thư vú phụ nữ chụp nhũ ảnh – phương pháp sử dụng tia X ñể tạo ảnh vú Phương pháp phát khối u ác tính vú hai năm trước thể cảm nhận [1] Nói chung, Việt Nam nay, việc chẩn đốn bệnh từ phim chụp X quang vú thực thủ cơng bác sĩ kỹ thuật viên Bác sĩ hay kỹ thuật viên phân tích phim X quang vú, với bệnh nhân, trả kết tốt (vú khoẻ mạnh) khoanh vùng có nghi ngờ mắc bệnh phim X quang Với bệnh nhân nghi ngờ có bệnh, bác sĩ thực thêm số bước kiểm tra, tạo nhũ ảnh chẩn đốn, có kết cuối Q trình chẩn đốn dựa nhiều vào kinh nghiệm bác sĩ kỹ thuật viên Bên cạnh phương pháp chẩn đốn truyền thống vậy, ngày ñã ñược hỗ trợ nhiều từ hệ thống máy tính Tuy máy tính chưa thể đảm nhận trọn vẹn cơng việc bác sĩ, kỹ thuật viên, với hỗ trợ từ hệ thống máy tính, chắn hiệu q trình chẩn đốn tăng lên nhiều lần Ta sử dụng thuật tốn để nâng cao chất lượng ảnh vùng khả nghi Ảnh X quang vú nội dung nghiên cứu ñây ñược thu nhận dạng số ñược thu thập từ sở liệu bệnh viện K Hà Nội Ảnh X quang vú chứa dấu hiệu/ tín hiệu ung thư vú nhiều mức độ khác nhau: vi canxi hố, thương tổn, khối giới hạn có hình dạng khơng rõ ràng, hay biến dạng hình thể… Trên giới, nhiều phương pháp phân tích ảnh số X quang vú ñã ñược nghiên cứu, triển khai cho kết tốt Các kỹ thuật phổ biến lĩnh vực xử lý ảnh ñược áp dụng vào ảnh số X quang vú nhằm cố gắng xác ñịnh dấu hiệu sớm ung thư, ngày xác Với suy nghĩ thực trạng bệnh ung thư vú sở hạ tầng bệnh viện Việt Nam, thực luận văn với mục đích nghiên cứu thuật toán nhằm hỗ trợ bác sĩ trình đọc ảnh X quang vú đưa chẩn đốn Thuật tốn gọi thuật tốn kiểm tra, hỗ trợ việc định vị bất thường ảnh X quang vú Luận văn trình bày thuật tốn phân vùng ảnh X quang vú, phương pháp xác ñịnh khối u ảnh phương pháp kiểm ñịnh, so sánh kết thu từ thuật tốn kiểm tra Thuật tốn phân vùng hoạt động tập hợp ảnh X quang vú nói chung, khơng địi hỏi liệu huấn luyện Có vài kỹ thuật ñịnh vị khối u ảnh X quang vú Chúng có mức độ thành cơng khác nhau, nhiều số sử dụng dạng ñối sánh mẫu ñể so sánh phần ảnh với mẫu khối u ñược lựa chọn từ trước Các mẫu khác xây dựng nên vector ñặc trưng sử dụng cách phân loại ñã ñược huấn luyện trước ñể chọn vùng ác tính Nghiên cứu thực luận văn cố gắng ñưa cải tiến hiệu suất tính xác phương pháp Ta ñánh giá mẫu khối u chọn mẫu phương pháp so sánh tối ưu Cuối cùng, người thực luận văn xây dựng sở liệu bao gồm ảnh X quang vú chẩn đốn xác Các ảnh X quang ñược sử dụng với vai trị mẫu đối sánh q trình đọc ảnh X quang bệnh viện K Hà Nội 1.2 Cấu trúc luận văn Chương cung cấp nhìn chi tiết bệnh ung thư vú, bao gồm biểu trạng thái bệnh, nguyên nhân gây bệnh cách phát hiện, ñiều trị bệnh Chương cung cấp khái niệm xử lý ảnh số phép toán cải thiện, nâng cao chất lượng ảnh X quang vú, ví dụ điều chỉnh, cân lược ñồ xám, lọc làm trơn ảnh Chương giới thiệu triển khai thuật toán phân vùng ảnh X quang vú Thuật tốn phân vùng dựa lược đồ xám kết hợp thông tin không gian Chương trình bày phương pháp phát khối u dựa ñối sánh mẫu Trước tiên sử dụng mẫu ñể nhận biết ghi lại pixel nghi ngờ Saud dó bước nhóm pixel kiểm tra lại với mẫu ña tỷ lệ cho phù hợp với kích thước xác khối u Chương trình bày hệ thống kiểm định thuật tốn hỗ trợ kiểm tra ảnh X quang vú với ví dụ minh họa cụ thể Cuối cùng, Chương ñưa kết luận công việc thực hướng phát triển tương lai Chương - BỆNH UNG THƯ VÚ 2.1 Giải phẫu vú 2.1.1 Cấu trúc giải phẫu Vú bắt đầu phát triển phơi thai khoảng ñến tuần sau thụ thai Chưa thể nhận chúng giai ñoạn này, bao gồm chút mô gợn lên Từ tuần thứ 12 ñến 16, nhiều thành phần phụ trở nên rõ ràng Các nhóm tế bào nhỏ bắt đầu phân nhánh dẫn đến hình thành ống dẫn tuyến sản xuất sữa tương lai Các mô khác phát triển thành tế bào cơ, tế bào hình thành núm vú (điểm nhơ vú) quầng vú (phần mô màu thẫm xung quanh núm vú) Trong giai ñoạn sau thời gian mang bầu, hormone mẹ ñi qua thai ñể vào bào thai, khiến tế bào vú hình thành cấu trúc dạng ống phân nhánh, từ hình thành ống dẫn sữa Trong tuần cuối thai kỳ, thuỳ (các tuyến sản sinh sữa) hoàn thiện thực bắt ñầu sinh chất lỏng gọi sữa non Trong trẻ sơ sinh nam nữ ñều cảm nhận vết phồng nằm núm vú quầng vú nhận biết chất lỏng suốt tiết ra, sữa non Những tượng biểu thị tác ñộng hormone người mẹ giảm dần ñi tuần ñầu tiên ñời Từ thời thơ ấu đến tuổi dậy thì, khơng có khác vú nam nữ Tuy nhiên, với bắt đầu tuổi dậy nữ, q trình giải phóng estrogen, trước tiên mình, sau kết hợp với progesterone buồng trứng hoàn thiện chức năng, khiến vú trải qua thay ñổi ñột ngột, lên đến cực điểm dạng trưởng thành hồn tồn Q trình trung bình đến năm thường hoàn chỉnh vào tuổi 16 Sự hoàn thiện mô vú xảy q trình tiết sữa thường coi cách bảo vệ chống lại bệnh ung thư vú Vú phụ nữ trưởng thành bao gồm cấu trúc sau: tiểu thuỳ hay tuyến; ống dẫn sữa; mỡ mơ liên kết (Hình 2.1) Các tiểu thuỳ tập hợp lại thành ñơn vị lớn gọi thuỳ Trung bình có 15 – 20 thuỳ bên vú xếp hỗn ñộn theo dạng nan hoa toả từ núm vú/ khu vực quầng vú Tuy nhiên, phân bố thuỳ khơng Mơ tuyến trội phần vú bên Phần chịu trách nhiệm căng cứng vùng mà nhiều phụ nữ cảm thấy trước chu kỳ kinh nguyệt Nó khu vực chiếm nửa tổng số ung thư Các thuỳ ñây ñổ vào ống dẫn sữa, chảy qua vú hướng núm/ quầng vú Ở đó, chúng tụ lại thành ñến 10 ống dẫn lớn gọi ống góp, ống dẫn vào ñế núm vú kết nối với bên ngồi Trong tiết sữa, sữa vú theo dịng chảy đưa đến trẻ em Hình 2.1 Cấu trúc giải phẫu vú ðộ ổn ñịnh thuỳ vú khác theo người cịn thay đổi vú thể Tuy nhiên, nói chung, phần tuyến vú có cảm giác rắn, có dạng mấu Xung quanh thuỳ mỡ Không giống thuỳ, mỡ ln ln mềm Sự khác biệt mật độ mơ tuyến mơ mỡ vú sở cho tạo nhũ ảnh Trong đó, ống dẫn vú thường khơng cảm nhận trừ chúng bị ứ sữa, bị sưng có khối u Vú phụ nữ trẻ tuổi bao gồm mơ tuyến với lượng mỡ Vì chúng so với người già Khi tuổi tăng lên, ñặc biệt với mát estrogen vào thời kỳ mãn kinh, thuỳ co lại ñược thay ... thường mà X quang vú chẩn đốn phát 29 2.3.3 Nền ảnh X quang vú 35 2.3.4 ðọc phim X quang vú 36 Chương - X? ?? LÝ ẢNH SỐ 38 3.1 Ảnh số 38 3.2 Mơ hình x? ?c suất... suất tính x? ?c phương pháp Ta ñánh giá mẫu khối u chọn mẫu phương pháp so sánh tối ưu Cuối cùng, người thực luận văn x? ?y dựng sở liệu bao gồm ảnh X quang vú ñã ñược chẩn đốn x? ?c Các ảnh X quang. .. thể… Trên giới, nhiều phương pháp phân tích ảnh số X quang vú nghiên cứu, triển khai cho kết tốt Các kỹ thuật phổ biến lĩnh vực x? ?? lý ảnh ñược áp dụng vào ảnh số X quang vú nhằm cố gắng x? ?c ñịnh
