XỬ LÝ ẢNH Y TẾ

(Medical Image Processing)

MỤC ĐÍCH

KIẾN THỨC

- Các phương thức tạo ảnh y tế cơ bản và các yếu

tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh của từng

phương pháp

- Các phương pháp xử lý được áp dụng

KỸ NĂNG

- Có khả năng nhận biết và xử lý ảnh y tế

YÊU CẦU

- Đại số tuyến tính

- Xác suất thống kê

- Xử lý số tín hiệu

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Biomedical Image Analysis – R. M.

Rangayyan

2. Digital Image Processing using Matlab – R. C.

Gonzales

3. Biomedical Signal and Image Processing – K.

Najarian, R. Splinter

4. Medical Image Analysis – Atam P. Dhawan

Đánh giá

Điểm danh+bài tập: 10%

Kiểm tra giữa kỳ: 20%

Bài tập lớn+bảo vệ: 30%

Kiểm tra cuối kỳ: 40%

TỔNG QUAN

CHƢƠNG 1

1.1. XỬ LÝ ẢNH Y TẾ?

- Các thực thể tạo ảnh y tế (medical imaging

modality) khác nhau cung cấp các thông tin đặc

tính riêng biệt về các cơ quan bên trong hay của

các tổ chức mô.

- Độ tương phản và độ nhìn thấy của ảnh y tế phụ

thuộc vào thực thể tạo ảnh, hàm đáp ứng cũng

như phụ thuộc vào các vùng bệnh lý.

Ví dụ:

- Thăm khám vết rạn có thể ở khung xương sườn

(chụp X-quang ngực) thì cần nhìn rõ cấu trúc

xương cứng

- Kiểm tra khả năng có bị ung thư vú hay không

(chụp X-quang vú) thì lại cần thấy rõ sự vôi hóa,

các khối bất thường, các cấu trúc mô mềm

xử lý ảnh y tế

1.2. CÁC THỰC THỂ TẠO ẢNH TẾ

- Mục tiêu của tạo ảnh y tế: thu nhận các thông

tin hữu ích về các quá trình sinh lý hay các cơ

quan của cơ thể bằng cách sử dụng các nguồn

năng lượng.

- Phân loại theo

• Nguồn năng lượng bên trong

• Nguồn năng lượng bên ngoài

• Kết hợp cả hai

10-10

Radio Waves

TV Waves

Radar Waves

Microwaves Infrared Rays

Visible Light

Ultraviolet Rays

X-rays Gamma Rays

102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-6 10-7

10-8

Wavelength in meters

Frequency in Hz

10-5 10-9 10-10 10-11 10-12

10-13 10-14 103

106 107 109 1010 1011 1012 1014 1015 1016

1013 1017 1018 1019 1020

1021 1022 105

108

Energy in eV

10-9 10-8 10-6

10-5 10-4 10-3 10-1 1 101 10-2 102 103 104 105 106 107

10-7

MRI

X-ray

Imaging

Gamma-ray

Imaging

Cosmic Rays

Các nguồn năng lượng

Y học hạt nhân

Chụp cắt lớp phát xạ

đơn photon (SPECT)

Chụp cộng hưởng từ

(thường và chức năng)

Tạo ảnh dùng

huỳnh quang

Tạo ảnh dựa trên

trở kháng điện

Chụp X-quang thường

Chụp X-quang vú

Chụp cắt lớp CT

Tạo ảnh dùng phản xạ

và truyền qua quang

Siêu âm và cắt lớp

bằng siêu âm

Phân chia theo loại nguồn năng lượng

Thực thể

tạo ảnh

y sinh

Năng lƣợng

sử dụng

Bên ngoài Bên trong

Cả trong

và ngoài

Y học hạt nhân

Chụp cắt lớp phát xạ

pozitron (PET)

THU

NHẬN,

TÁI

TẠO

ẢNH

Scanner

Scanner

Đối

tƣợng

XỬ

LÝ,

PHÂN

TÍCH

ẢNH

LƢU

TRỮ,

HIỂN

THỊ

ẢNH

Sơ đồ khối hệ thống tạo ảnh y tế

Ảnh X-quang

vú số hóa

Ảnh tăng cường

độ tương phản

Ảnh cân bằng

mức xám đồ

- Các vấn đề cần quan tâm

• Môi trường tạo ảnh y tế

• Bản chất vật lý của việc tạo ảnh

• Thực thể tạo ảnh

• Phương pháp thu nhận dữ liệu

• Xử lý và phân tích ảnh

MÔI TRƢỜNG TẠO ẢNH

- Lựa chọn thực thể tạo ảnh y tế.

- Thiết kế các kỹ thuật xử lý và phân tích ảnh y

tế.

Bao gồm các đặc tính tĩnh hay động của các

đối tượng được tạo ảnh như các tổ chức, các mô,

các bệnh lý đặc trưng của cơ thể.

- Đặc tính tĩnh: mật độ mô…

- Đặc tính động: chuyển động của dòng máu,

chuyển động của tim…

Ví dụ:

Tái tạo và phân tích ảnh y tế hợp lýxem xét

tới đặc tính động

BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA VIỆC TẠO ẢNH

- Nguyên lý tạo ảnh được sử dụng để thu được dữ

liệu

• CT scanner: sự truyền tia X qua cơ thể

• SPECT: sự phát xạ tia gamma do tương tác giữa

chất phóng xạ với mô

- Nguyên lý khác nhaumức thông tin cung cấp

cũng khác nhau:

• SPECT, PET: ảnh có độ tương phản, chi tiết giải

phẫu kém.

• CT scanner: ảnh có độ sắc nét hơn, độ phân giải

chi tiết giải phẫu lớn.

• MRI: ảnh có độ phân giải chi tiết giải phẫu lớn,

độ tương phản mô mềm xuất sắc.

THỰC THỂ TẠO ẢNH

- Quyết định chất lượng ảnh theo các tiêu chí:

• Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N.

• Độ phân giải.

• Khả năng cho thấy các thông tin chẩn đoán.

-Thông số kỹ thuật của nguồn ảnh hưởng trực

tiếp tới khả năng tạo ảnh.

- Độ phi tuyến, hiệu suất thấp, thời gian phân rã

dài, loại bỏ tán xạ thấpnhiễu (artifact) trong

ảnhtạo và xử lý ảnh thông minh

PHƢƠNG PHÁP THU NHẬN DỮ LIỆU

- Đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo ảnh.

- Yếu tố quyết định xác định độ phân giải không

gian và thời gian tốt nhất.

- Quan trọng đối với việc làm giảm nhiễu

(artifact) trong ảnh thông qua lọc tích cực và tiền

xử lý.

• Độ phân giải không gian:

Kích thước nhỏ nhất của đối tượng mà toàn hệ

thống (gồm cả quá trình tái tạo ảnh) có thể phân

biệt được.

• Độ phân giải thời gian:

Thời gian để thu được tín hiệu để tạo thành 1 ảnh

đơn. Không phải là thời gian tái tạo ảnh mà là

thời gian để lấy mẫu tất cả thông tin cần thiết để

tái tạo ảnh.

Ví dụ: X-ray CT scanner

- Dựa vào số photon X-ray tới bộ thu nhận

(detector) trong 1 khoảng thời gian.

- Quét: chùm song song, nón, xoắn ốc.

- Thời gian quét khác nhaubù trừ giữa độ phân

giải không gian và thời gian.

Quét nhanh, độ phân giải không gian thấp và

ngược lại.

XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH

- Nhằm tăng cường thông tin chẩn đoán, hỗ trợ

cho việc diễn giải các ảnh y tế (thông thường

hoặc có sự trợ giúp của máy tính).

• Diễn giải định tính và định lượng ảnh cho các

chẩn đoán, theo dõi can thiệp, điều trị khác nhau.

• Hiểu được các quá trình sinh lý cùng với các

bệnh và phản ứng chống lại điều trị của chúng.

1.2. NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH

- Ảnh 2 chiều của vật thể: qua các dụng cụ quang

học như camera hay kính hiển vi….

- Ảnh 2 chiều hay 3 chiều của một tổ chức: qua

các thực thể tạo ảnh y tế bằng các phưong pháp

truyền qua, phát xạ, phản xạ, tán xạ hay cộng

hưởng từ hạt nhân

g z

Hệ thống tạo ảnh

h

Không gian

đối tượng

Không gian

ảnh

a

b

x

y

Đối tượng

f(a,b,g)

Ảnh

g(x,y,z)

G=R(F-T)

Hệ quy chiếu ảnh

G, F: Ảnh và đối tượng trong các hệ quy chiếu miền ảnh, vật

tương ứng. Được thể hiện như là các vector cột

R, T: ma trận quay và ma trận trượt

Ảnh mặt cắt ngang

được tái tạo

Nguồn chiếu xạ

g z

Hệ thống tạo ảnh

h

Không gian

đối tượng

Không gian

ảnh

Mặt cắt

ngang được

lựa chọn

b

x

y

Đối tượng

a

Ảnh

Sơ đồ khối chung của hệ thống tạo ảnh 3-D

(có nguồn chiếu xạ từ bên ngoài)

Ảnh mặt cắt ngang

được tái tạo

g z

Hệ thống tạo ảnh

h

Không gian

đối tượng

Không gian

ảnh

Mặt cắt

ngang được

lựa chọn

b

x

y

Đối tượng

a

Ảnh

Sơ đồ khối chung của hệ thống tạo ảnh 3-D

(không cần nguồn chiếu xạ từ bên ngoài)

Tổng quát: gba ,,f,z,y,xhz,y,xg

Tuyến tính:

gbagbagba ,,f.,,,z,y,xh,,f,z,y,xh

Tuyến tính, bất biến (SLI)

gbagbagba

ddd.,,f.z,y,xhz,y,xg

bababa dd.,,f.y,xhz,y,xg

Các hệ quy chiếu màu

1.3. CÁC BƢỚC XỬ LÝ ẢNH

Thu

nhận

ảnh

Tiền xử lý

(Tăng cường,

khôi phục ảnh)

Hiển thị ảnh

Phân tích ảnh

(Phân vùng,

trích chọn đặc điểm)

Giải thích,

chú giải

Mã hóa

Giải

mã

hóa

Tổng

hợp

ảnh

Tăng

cƣờng

ảnh

Hiển

thị

ảnh

Kênh truyền

hoặc

lƣu trữ

Kênh truyền

lưu trữ