TIỂU LUẬN môn xử lý ẢNH GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI TRONG CT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

TIỂU LUẬN MÔN XỬ LÝ ẢNH

GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI TRONG CT

1

CBHD: TS. Hoàng Thị Kiều Trang
Tên HV: Cao Minh Thông – 20C34019
Trần Văn Tiến

TP.HCM, ngày 27 tháng 11 năm 2021

– 20C34021


NỘI DUNG BÁO CÁO
2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1. Khái niệm

3



Giả ảnh kim loại (Metal Artifact) là hiện tượng gây ra bởi các vật liệu kim loại có trong người bệnh
nhân khi thực hiện chụp cắt lớp vi tính (CT), hình ảnh bị nhiễu có những vùng sáng, tối hoặc mất
hình ảnh cục bộ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hình ảnh thu được và làm ảnh hưởng
đến kết quả chẩn đốn.

Hình 1. Ảnh nhiễu kim loại trong ảnh
chụp cắt lớp CT vùng bụng với tâm thất
trái được cáy thiết bị hỗ trợ [2].


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
4



1. Khái niệm
Hiệu ứng làm cứng chùm tia: khi năng lượng trung bình của chùm tia tăng (“cứng”) bởi vì các photon năng
lượng thấp bị hấp thụ bới vật liệu kim loại.



Hiệu ứng tán xạ: sự suy giảm theo tán xạ Compton, làm thay đổi đường đi của tia X và làm cho các photon
truyền đi đập vào các đầu đò ghi nhận (detector) lệch khỏi tâm của tia tới.



Hiệu ứng nhiễu: Thông lượng photon được ghi nhận bởi các detetor của CT theo phân bố Poisson, nên các

số đếm photon thấp sẽ dẫn đến sai số thống kê tương đối cao



Hiệu ứng thể tích cục bộ phi tuyến tính (NLPV): khi cạnh của một vật thể kim loại nằm giữa các đường
chiếu, gây ra sự biến thiên hệ số suy giảm tuyến tính vng góc với hướng truyền tia X.


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
2.1 Tối ưu hoá vật liệu cấy ghép

5



Thay thế các vật liệu cấy ghép trong bệnh nhân thành các vật liệu cấy ghép khác trong từng trường hợp [2].



Nhựa, xi măng sinh học hoặc những vật liệu Poly Methyl Methacrylate (PMMA)…



Nẹp cố định hay vít định hình thì các nhà nghiên cứu đã bắt đầu tiếp cận với hướng kiểm tra các đặc tính
của các vật liệu kim loại khác nhau như titan, thép khơng gỉ, vitallium,…

Hình 2. Ảnh CT được
gắn

các

thanh

thép

khơng gỉ 5,5 mm (trái),
titan 4,5 mm (giữa) và
vitallium 4,5 mm (phải)
[1]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
6

2.1 Tối ưu hố vật liệu cấy ghép

Hình 3. Ảnh CT thu được từ nhóm nguyên cứu của Weese khi quét phantom có chứa các ghim phẫu thuật lần lượt là thép
khơng gỉ (SS), tantalum (TA), titanium (Ti) và nhựa (Pl) [6]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
7

2.2 Cải thiện đầu vào
2.2.1 Thay đổi thơng số chụp



Thay đổi góc quét và tư thế bệnh nhân phù hợp.



Tăng cửa sổ lên giá trị cực đại, ví dụ 4000 HU lên
40000 HU



Giảm bề dày lát cắt



Tăng điện thế kVp

Hình 4. Ảnh CT chụp hộp sọ bệnh nhân sau khi trải qua cắt bỏ túi
phình máu não với tư thế nghiêng đầu [7]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
8

2.2 Cải thiện đầu vào
2.2.1 Thay đổi thông số chụp
Bảng 1 So sánh khi thay đổi thông số chụp [1]
Điều chỉnh thông số

Ưu điểm

Nhược điểm

Tăng năng lượng chùm photon (kVp)

Giảm cứng chùm tia và nhiễu

Tăng liều cho bệnh nhân

Tăng dịng bóng phát tia (mA)

Giảm nhiễu

Tăng liều cho bệnh nhân

Điều chỉnh pitch thấp

Giảm nhiễu

Tăng liều cho bệnh nhân

Giảm bề dày lát cắt

Giảm một phần giả ảnh

Tăng nhiễu

Mở rộng cửa sổ CT

Tăng bề rộng và mức độ của cửa sổ

Giảm độ phân giải tương phản

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
9

2.2 Cải thiện đầu vào
2.2.2 CT năng lượng kép



Dùng hệ số hấp thụ được lấy từ hai nguồn năng lượng khác nhau, hình ảnh đơn năng được tổng hợp thành ảnh ảo
phổ đơn sắc

Hình 5. Giả ảnh do kim loại giảm khi năng lượng photon
tăng trong ảnh trong ảnh đơn ngoại suy năng lượng từ CT
năng lượng kép [1]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
10

2.2 Cải thiện đầu vào
2.2.3 CT đếm photon



CT đếm photon được thêm vào để tăng thêm năng suất ghi nhận tương tác của các photon năng lượng thấp để tái tạo
phổ năng lượng.

Hình 6. Kết quả tái tạo của một phantom nha khoa chứa
một răng với miếng trám kim loại hình trịn [1]

SPIR: Spectral-Driven Iterative Reconstruction
IR: Iterative Reconstruction


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
2.3 Tiền xử lý dựa trên vật lý

11

2.3.1 Giảm nhiễu



Mơ hình hố nhiễu cục bộ bằng mơ hình thích ứng.



Áp dụng các bộ lọc từ thực nghiệm vào trong lâm sàng



Các bộ lộc được nghiên cứu với các phương pháp tiếp cận khác nhau:

•

ART (Algebraic Reconstruction Technique),

•

IFS (Iterative Frequency Split–Normalized),

•

LI-MAR (Linear Interpolation Metal Artifact Reduction)

•

..…

Hình 7. Ảnh thu được ở một
bệnh nhân với giả ảnh một
bên khớp hang [8]

FBP

FBP

LI-MAR

IFS


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
12

2.3 Tiền xử lý dựa trên vật lý
2.3.2 Hiệu chỉnh tán xạ và cứng chùm tia



Mơ hình hố tán xạ và cứng chùm tia với các vật liệu kim loại khác nhau với mơ hình thích ứng.



Hiệu chỉnh tán xạ và cứng chùm tia tương thích với thực tế



Nội suy tuyến tính các phép chiếu bị lỗi do giả ảnh kim loại

Hình 8. Hình ảnh CT gốc và qua hiệu chỉnh cứng chum tia của một bệnh nhân có cột sống được cấy ghép vật liệu titan [1]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
13

2.4 Chiếu ảnh hoàn chỉnh
2.4.1 Nội suy



Tạo nên bộ dữ liệu đồ thị Sinogram mới từ phép chiếu vùng lân cận hoặc mơ hình tốn học tương đương sau khi chiếu để giảm giả
ảnh.

Hình 9. Ảnh thuật tốn và kết quả minh hoạ thu được [9]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
14

2.4 Chiếu ảnh hoàn chỉnh
2.4.2 Chiếu lặp



Dùng dữ liệu đã nghiên cứu trước để thay thế dữ liệu ảnh bị mất, lỗi do vật liệu kim loại

2.4.3 Chuẩn hoá



Dùng hệ số hiệu chỉnh sau khi chiếu giả lập để áp dụng chuẩn hố cho biểu đồ Sinogram

Hình 10. Ảnh so sánh ảnh gốc và các phương pháp giả ảnh [1]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
15

2.5 Dựng cấu trúc ảnh
2.5.1 Loại bỏ vật thể



Loại bỏ phần giả ảnh, tạo vệt của kim loại ra khỏi ảnh, dùng các kỹ thuật bên ngoài để tái dựng ảnh hoàn chỉnh

2.5.2 Bù thống kê



Sử dụng hàm thống kê để giảm dữ liệu ảnh tạo bởi kim loại nhưng bù lại khi đưa vào quá trình tái tạo ảnh.

2.5.3 Ứng dụng kiến thức



Ứng dụng nguồn dữ liệu ảnh CT đa dạng về vật thể kim loại trong phẫu thuật để mô hình hố chính xác hơn ảnh vật thể và ước tính
dữ liệu ảnh chiếu


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
16

2.5 Dựng ảnh cấu trúc

Hình 11. Ảnh minh hoạ phương pháp áp dụng cho đinh vít [1]


CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẢM GIẢ ẢNH KIM LOẠI
17

2.6 Hậu xử lý ảnh
2.6.1 Trực tiếp



Can thiệp và chỉnh sửa nhiễu và thang xám trên ảnh thông qua phần mềm đã được nghiên cứu và cải tiến

2.6.2 Hỗn hợp



Kết hợp các phương pháp giảm giả ảnh kim loại với nhau dựa trên các điểm mạnh và yếu của từng phương pháp để tạo ảnh tốt nhất,
có ý nghĩa về mặt chẩn đốn lâm sàng

Hình 12. Ảnh CT xương chậu có cấy ghép
coban-chrome với các phương pháp MAR
khác nhau [1]


CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN
18



Các hướng nghiên cứu về MAR được phân loại thành sáu nhóm kỹ thuật chính: tối ưu hóa các vật liệu cấy
ghép, cải thiện đầu vào, tiền xử lý dựa trên tác động vật lý, chiếu ảnh hồn chỉnh, dựng ảnh cấu trúc và hậu
xử lý hình ảnh.



Có nhiều trường hợp các kỹ thuật MAR độc lập với nhau hoặc cũng có những trường hợp các kỹ thuật
MAR hỗ trợ cho nhau để có thể đưa ra một kết quả hình ảnh tốt nhất, đảm bảo chất lượng hình ảnh ở trạng
thái rõ nét nhất và có giá trị về mặt chẩn đốn lâm sàng.



Vẫn cịn tồn tại nhiều thách thức lớn cho kỹ thuật MAR trong vật liệu kim loại.



Cần đặt ra các hướng nghiên cứu mới để ứng dụng trong lâm sàng tốt hơn.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

19

1. Gjesteby, L., De Man, B., Jin, Y., Paganetti, H., Verburg, J., Giantsoudi, D., & Wang, G. (2016). Metal artifact reduction in CT: where are we after four decades?
Ieee Access, 4, 5826-5849.

2. Katsura, Masaki, et al. "Current and novel techniques for metal artifact reduction at CT: practical guide for radiologists." Radiographics 38.2 (2018): 450-461.
3. Louw, D. F., Asfora, W. T., & Sutherland, G. R. (2001). A brief history of aneurysm clips. Neurosurgical focus, 11(2), 1-4.
4. Mizouni, A., Ammar,

H., Said, M. A., Harrabi, F., Farhat, W., Ghabry, L., ... & Ali, A. B. (2020). Surgical clip migration following laparoscopic

cholecystectomy: A rare cause of acute cholangitis. Annals of Medicine and Surgery, 59, 21-23.

5. W. A. Gray, S. Sekaran, J. A. Tanyi, and J. M. Holland, ‘‘Implications of dental artifacts on radiotherapy planning for head and neck cancer,’’ in Proc.
Multidisciplinary Head Neck Symp., 2012.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
20

6.

J. L. Weese, M. S. Rosenthal, and H. Gould, ‘‘Avoidance of artifacts on computerized
tomograms by selection of appropriate surgical clips,’’ Amer. J. Surgery, vol. 147, no. 5,

pp. 684–687, May 1984.

7.

J. H. Brown, E. S. Lustrin, M. H. Lev, C. S. Ogilvy, and J. M. Taveras,
‘‘Reduction

of

aneurysm

clip

artifacts

on

CT

angiograms:

A

technical

note,’’ AJNR. Amer. J. Neuroradiol., vol. 20, no. 4, pp. 694–696, 1999.

8.

D.

Prell,

Y.

Kyriakou,

M.

Kachelrie,

and

W. A.

Kalender,

‘‘Reducing

metal artifacts in computed tomography caused by hip endoprostheses using a physicsbased

approach,’’

Invest.

Radiol.,

vol.

45,

no.

11,

pp. 747–754, 2010.

9.

W. A. Kalender, R. Hebel, and J. Ebersberger, ‘‘Reduction of CT artifacts
caused
1987.

by

metallic

implants,’’ Radiolgy,

vol.

164,

no.

2,

pp.

576–577,

21

CÁM ƠN CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE