Nghiên cứu một số kỹ thuật phân đoạn ảnh y tế (LV01001)

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

BÙI THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
PHÂN ĐOẠN ẢNH Y TẾ

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGÔ QUỐC TẠO

HÀ NỘI - 2013


1
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô
giáo trong khoa công nghệ thông tin trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, cùng
các thầy cô giáo của Viện Công nghệ thông tin đã tận tình truyền đạt, giảng
dạy cho em những kiến thức, kinh nghiện quý báu trong suốt thời gian qua
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Ngô Quốc Tạo - Viện
Công nghệ thông tin đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn giúp em hoàn thành luận
văn tốt nghiệp này. Trong thời gian làm việc với thầy, em không những tiếp
thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học được tinh thần làm việc, thái độ
nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả. Đây là những điều rất cần thiết

cho em trong quá trình học tập và công tác sau này
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động
viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thành đề tài này.


2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn
này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên
cứu luận văn “ Nghiên cứu một số kỹ thuật phân đoạn ảnh Y tế ” các kết
quả và dữ liệu được nêu ra là hoàn toàn trung thực và rõ ràng. Mọi thông tin
trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu
tham khảo.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận
văn này.
Vĩnh Phúc, ngày 10 tháng 07 năm 2013
HỌC VIÊN

Bùi Thị Nhung


3
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................. 2
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ẢNH Y HỌC ................ 10
1.1. Tổng quan về xử lý ảnh ........................................................................ 10
1.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh ................................................................... 10
1.1.2. Quá trình xử lý ảnh ......................................................................... 11
1.1.3. Một số khái niệm cơ bản ................................................................ 13
1.1.4. Các định dạng cơ bản trong xử lý ảnh............................................ 16
1.2. ẢNH Y HỌC ........................................................................................ 16
1.2.1. Giới thiệu ảnh y học ....................................................................... 17
1.2.2. Một số các chuẩn hình ảnh ứng dụng trong y tế ............................ 19
1.2.3. Chuẩn đoán bệnh dựa trên ảnh y học ............................................. 29
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÂN ĐOẠN ẢNH Y HỌC .............. 41
2.1. Phân đoạn dựa vào ngưỡng biên độ...................................................... 41
2.1.1. Giới thiệu ........................................................................................ 41
2.1.2. Chọn ngưỡng cố định .................................................................... 42
2.1.3. Chọn ngưỡng dựa trên lược đồ (Histogram) ................................. 42
2.2. Phân đoạn dựa trên cơ sở vùng ............................................................. 46
2.2.1 Công thức cơ bản............................................................................. 46
2.2.2 Tăng vùng ........................................................................................ 47
2.2.3. Chia và chọn vùng .......................................................................... 49


4
2.3. Phân đoạn theo miền đồng nhất ............................................................ 51
2.3.1. Phương pháp tách cây tứ phân ....................................................... 52
2.3.2. Phương pháp phân vùng hợp .......................................................... 54
2.3.3. Phương pháp tách hợp (Split- Meger) ........................................... 55
2.4. Phân đoạn ảnh dựa vào đồ thị .............................................................. 56
2.4.1. Tính chất của so sánh cặp miền ...................................................... 57
2.4.2. Thuật toán và các tính chất ............................................................ 59
2.5 Phân đoạn dựa vào phân cụm dữ liệu .................................................... 61

2.5.1 Thuật toán K-means ........................................................................ 62
2.5.2. Thuật toán FCM (Fuzzy C-Means) ................................................ 63
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ........................ 66
3.2. Giao diện và chức năng của chương trình. ........................................... 66
3.3 Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 67
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 71
HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73


5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TT Tên viết tắt
1.

2.

PACS

DICOM

Tên tiếng anh

Định nghĩa

Picture Archiving and

Hệ thống lưu trữ và truyền

Communication System

ảnh

Digital Imaging and

Số hóa và truyền ảnh y tế

Communications in
Medicine
Mạng toàn cầu

4.

WWW

World Wide Web

5.

HTTP

Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền văn bản
siêu liên kết

6.

CT

Computed Tomography

Chụp cắt lớp điện toán

Scanner
7.

HU

Hounsfield

Đậm độ


6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quá trình xử lý ảnh
Hình 1.2. Quá trình xử lý ảnh chi tiết
Hình 1.3. Một số hình ảnh Y học
Hình 1.4. Mô hình PACS
Hình 1.5. Tiến trình hiển thị ảnh
Hình 1.6. Kiến trúc PACS điển hình cho hiển thị ảnh dựa trên Web
Hình 1.7. Cấu tạo Data Set
Hình 1.8: Phần tử thể tích (voxel)
Hình 1.9: Hình định vị (topogram)
Hình 1.10. Cấu trúc liên quan sọ - màng não - nhu mô não
Hình 1.11. Tổn thương phần mềm hộp sọ
Hình 1.12. Tổn thương xương hộp sọ
Hình 1.13. Tụ máu ngoài màng cứng
Hình 1.14. Tụ máu dưới màng cứng
Hình 1.15. Đánh giá mật độ tuyến vú
Hình 1.16. Độ đặc của tuyến vú

Hình 1.17. Độ đặc của tuyến vú
Hình 1.18. Độ đặc của tuyến vú
Hình 1.19. Phân vùng tuyến vú
Hình 2.1. Minh họa thuật toán đối xứng nền
Hình 2.2. Minh họa thuật toán tam giác
Hình 2.3. Bimodal Histogram
Hình 2.4. Tăng vùng
Hình 2.5. Histogram của 2.4
Hình 2.6a. Hình được chia cắt
Hình 2.6b. Cây quan hệ tương ứng
Hình 2.7a. Hình ban đầu
Hình 2.7b. Kết quả sau khi tách và trộn


7
Hình 2.7c. Kết quả sau khi phân ngưỡng hình (a)
Hình 2.8. Minh họa thuật toán tách cây tứ phân
Hình 2.9. Nhận dạng các vùng ảnh
Hình 3.1. Giao diện chương trình
Hình 3.2. Sơ đồ phân rã chức năng chương trình phân đoạn ảnh.
Hình 3.3. Giao diện form K-Means
Hình 3.4. Giao diện form K-Means open ảnh
Hình 3.5.: Giao diện form chọn số cụm của K-Means
Hình 3.6. Giao diện form K-Means sau khi phân cụm
Hình 3.7. Giao diện form Single- link
Hình 3.8. Giao diện form Single- link open ảnh
Hình 3.9. Giao diện form chọn ngưỡng
Hình 3.10. Giao diện form Single- link sau khi phân đoạn

8

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Xử lý ảnh là một trong những chuyên ngành quan trọng và lâu đời của
công nghệ thông tin. Xử lý ảnh được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như y học, vật lý, hóa học, tìm kiếm tội phạm … Mục đích của xử lý ảnh
chính là xử lý ảnh ban đầu thành một bức ảnh mới theo yêu cầu cụ thể, phân
tích ảnh để thu được các thông tin đặc trưng trên mỗi ảnh nhằm hỗ trợ cho
việc phân loại và nhận biết ảnh, phân đoạn ảnh để nhận biết được các thành
phần trong ảnh nhằm hiểu được kết cấu của ảnh ở mức độ cao. Để xử lý được
một bức ảnh phải trải qua nhiều bước nhưng bước khó khăn và quan trọng
nhất là phân đoạn ảnh. Nếu bước phân đoạn không tốt dẫn đến nhận diện sai
lầm về các đối tượng trong ảnh.
Xử lý ảnh được ứng dụng trong việc xử lý các ảnh chụp từ không trung
từ máy bay, vệ tinh và từ các ảnh vũ trụ hoặc xử lý các ảnh trong Y học như
ảnh siêu âm, ảnh chụp cắt lớp, vv.... Đối với ảnh Y học thường chụp các bộ
phận bên trong cơ thể người bằng các thiết bị chuyên dụng như máy XQuang, máy chụp cắt lớp vi tính, máy chụp cộng hưởng từ, máy chụp mạch
não... nên ảnh thường không rõ, không sắc nét gây khó khăn cho các chuyên
gia y học trong việc chuẩn đoán bệnh. Do đó bài toán nhận dạng ảnh trong Y
học là một bài toán có rất nhiều ý nghĩa thực tiễn và ta có thể thấy rằng để
công việc nhận dạng trở nên dễ dàng thì ảnh phải được tách thành các đối
tượng riêng biệt, đây là mục đích chính của bài toán phân đoạn ảnh. Nếu phân
đoạn ảnh không tốt sẽ dẫn đến sai lầm trong quá trình nhận dạng ảnh, bởi vậy
công đoạn phân đoạn ảnh là quá trình then chốt trong quá trình xử lý ảnh nói
chung.
Chính vì những lý do trên mà em mong muốn tìm hiểu, đánh giá các


9

phương pháp đã có để đi tìm lời giải cho bài toán đã nêu trên chính là nội
dung của đề tài “Nghiên cứu một số kỹ thuật phân đoạn ảnh Y tế” để làm
luận văn tốt nghiệp.
2. Mục đích nghiên cứu:
- Tìm hiểu khái quát về xử lý ảnh trong đó đi sâu về nghiên cứu các kỹ
thuật phân đoạn ảnh y tế.
- Cài đặt một số kỹ thuật phân đoạn ảnh y tế.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về xử lý ảnh, cụ thể là phân đoạn ảnh.
- Xác định bài toán cụ thể.
- Xây dựng chương trình ứng dụng.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Ø Đối tượng nghiên cứu:
Kỹ thuật phân đoạn ảnh trong đó đối tượng nghiên cứu chính là ảnh y
tế.
Ø Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu kỹ thuật phân đoạn ảnh y tế.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý luận
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn.
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu.
6. Dự kiến đóng góp mới
- Xây dựng được một chương trình ứng dụng được trong thực tiễn giúp
công tác chẩn đoán hình ảnh trong y tế để các bác sĩ định hướng phương pháp
điều trị bệnh nhân


10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ẢNH Y HỌC
1.1. Tổng quan về xử lý ảnh

1.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một
ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát
triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc
biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó.
Xử lý ảnh là một trong những mảng quan trọng nhất trong kỹ thuật thị
giác máy tính, là tiền đề cho nhiều nghiên cứu thuộc lĩnh vực này. Hai nhiệm
vụ cơ bản của quá trình xử lý ảnh là nâng cao chất lượng thông tin hình ảnh
và xử lý số liệu cung cấp cho các quá trình khác trong đó có việc ứng dụng thị
giác vào điều khiển. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tại nhiều quốc gia
từ năm 1920 đến nay về xử lý ảnh đã góp phần thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực
này lớn mạnh không ngừng.
Quá trình bắt đầu từ việc thu nhận ảnh nguồn (từ các thiết bị thu
nhận ảnh dạng số hoặc tương tự) gửi đến máy tính. Dữ liệu ảnh được lưu trữ ở
định dạng phù hợp với quá trình xử lý. Người lập trình sẽ tác động các thuật
toán tương ứng lên dữ liệu ảnh nhằm thay đổi cấu trúc ảnh phù hợp với các
ứng dụng khác nhau.
Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và
độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào
khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ
hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số thuận
lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ
mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: Làm nổi đường biên, lưu ảnh.
Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, phân đoạn
ảnh, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng.
Để dễ tưởng tượng, xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên,
ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như


11

Camera, máy chụp ảnh). Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự
(loại Camera ống kiểu CCIR). Gần đây, với sự phát triển của công nghệ, ảnh
màu hoặc đen trắng được lấy ra từ Camera, sau đó nó được chuyển trực tiếp
thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo. (Máy ảnh số hiện nay là một thí
dụ gần gũi). Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận từ vệ tinh; có thể quét từ ảnh
chụp bằng máy quét ảnh.
1.1.2. Quá trình xử lý ảnh
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào
nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh
có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận.
Ảnh vào

Xử lý ảnh

Ảnh ra (tốt hơn)
Kết luận

Hình 1.1: Quá trình xử lý ảnh
Ảnh trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều. Bởi vì, ảnh có thể
xem là tập hợp các điểm ảnh. Trong đó, mỗi điểm ảnh được xem như là đặc
trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối
tượng trong không gian và do đó nó có thể xem như một hàm n biến P(c1,
c2,..., cn).
Quá trình xử lý ảnh có thể được mô tả bằng sơ đồ sau:

Phân đoạn
Tiền xử lý ảnh

Thu nhận

CƠ SỞ
TRI THỨC

Biểu diễn và
mô tả ảnh

Nhận dạng và
nội suy

Hình 1.2. Quá trình xử lý ảnh chi tiết


12
Ø Thu nhận ảnh: Đây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với
quá trình xử lý ảnh. Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận qua các thiết bị như
camera, sensor, máy quét, vv… Các thiết bị thu nhận ảnh có 2 loại chính ứng
với 2 loại ảnh thông dụng là Raster và Vector. Các thiết bị thu nhận ảnh
Raster là camera, các thiết bị thu nhận ảnh Vector là sensor hoặc bàn số hoá
Digitalizer hoặc được chuyển đổi từ ảnh Raster. Sau đó các tín hiệu này sẽ
được số hóa. Các thông số quan trọng ở bước này là độ phân giải, chất lượng
màu, dung lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị.
Ø Tiền xử lý: Ở bước này ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử
nhiễu, khử bóng, khử độ lệch, vv… với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở
nên tốt hơn và thường được thực hiện bởi các bộ lọc.
Ø Phân đoạn ảnh: Phân đoạn ảnh là bước then chốt trong xử lý ảnh, giai
đoạn này nhằm phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào
đó, dựa theo biên hay các vùng liên thông. Tiêu chuẩn đễ xác định các vùng
liên thông có thể là cùng màu, cùng mức xám hay cùng độ nhám, vv… Mục
đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả tổng hợp từ nhiều phần tử khác
nhau cấu tạo nên ảnh thô. Vì lượng thông tin chứa trong ảnh rất lớn, trong khi

đó đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích chọn một vài đặc trưng nào đó,
do vậy cần có một quá trình để giảm lượng thông tin khổng lồ ấy. Quá trình
này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu.
Ø Biểu diễn và mô tả ảnh: Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được
cho dưới dạng dữ liệu điểm ảnh thô, trong đó hàm chứa biên của một vùng
ảnh, hoặc tập hợp các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó. Trong cả hai
trường hợp sự chuyển đổi dữ liệu thô này thành một dạng thích hợp hơn cho
việc xử lý trong máy tính là rất cần thiết. Để chuyển đổi chúng, câu hỏi đầu
tiên cần phải trả lời là nên biểu diễn một vùng ảnh dưới dạng biên hay dưới
dạng một vùng hoàn chỉnh gồm tất cả những điểm ảnh thuộc về nó. Biểu diễn
dạng biên cho một vùng phù hợp với những ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu
đến các đặc trưng hình dạng bên ngoài của đối tượng, ví dụ như các góc cạnh


13
và điểm uốn trên biên. Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho những ứng
dụng khai thác các tính chất bên trong của đối tượng, ví dụ như vân ảnh hay
cấu trúc xương của nó. Sự chọn lựa cách biểu diễn thích hợp cho một vùng
ảnh chỉ mới là một phần trong việc chuyển đổi dữ liệu ảnh thô sang một dạng
thích hợp hơn cho những xử lý về sau. Chúng ta còn phải đưa ra một phương
pháp mô tả dữ liệu đã được chuyển đổi đó sao cho những tính chất cần quan
tâm đến sẽ được làm nổi bật lên, thuận tiện cho việc xử lý chúng.
Ø Nhận dạng và nội suy: Đây là bước cuối cùng trong quá trình xử lý
ảnh. Nhận dạng ảnh có thể được nhìn nhận một cách đơn giản là việc gán
nhãn cho các đối tượng trong ảnh. Nội suy là công đoạn gán nghĩa cho một
tập các đối tượng đã được nhận biết.
Chúng ta có thể thấy rằng, không phải bất kỳ một ứng dụng xử lý ảnh
nào cũng bắt buộc phải tuân theo các bước xử lý đã nêu ở trên, ví dụ như các
ứng dụng chỉnh sửa ảnh nghệ thuật chỉ dừng lại ở bước tiền xử lý. Một cách
tổng quát thì những chức năng xử lý bao gồm cả nhận dạng và nội suy

thường chỉ có mặt trong hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự động,
được dùng để rút trích ra những thông tin quan trọng từ ảnh, ví dụ như các
ứng dụng nhận dạng kí tự quang học, nhận dạng chữ viết tay vv…
1.1.3. Một số khái niệm cơ bản
1.1.3.1 Ảnh và điểm ảnh
Điểm ảnh được xem như là dấu hiệu hay cường độ sáng tại 1 toạ độ
trong không gian của đối tượng và ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm
ảnh.
Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ
sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần phải tiến hành số hoá ảnh.
Trong quá trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời
rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hoá về không gian) và lượng hoá
thành phần giá trị mà về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được
hai điểm kề nhau. Trong quá trình này người ta sử dụng khái niệm Picture


14
element mà ta quen gọi là Pixel - phần tử ảnh. Như vậy, một ảnh là một tập
hợp các Pixel.
1.1.3.2. Mức xám - Gray level
Mức xám là kết quả của sự mã hóa tương ứng một cường độ sáng của
mỗi điểm ảnh với một giá trị sáng, kết quả của quá trình lượng tử hóa. Cách
mã hóa kinh điển thường dùng là 16, 32 hay 64 mức. Phổ dụng nhất là mã
hóa ở mức 256, ở mức này mỗi Pixel sẽ được mã hóa bởi 8 bít.
1.1.3.3. Biên
Biên là một đặc tính rất quan trọng của đối tượng trong ảnh, nhờ vào
biên mà chúng ta phân biệt được đối tượng này với đối tượng kia. Một điểm
ảnh có thể gọi là điểm biên nếu ở đó có sự thay đổi đột ngột về mức xám.
Tập hợp các điểm biên gọi là biên hay còn gọi là đường bao ảnh.
1.1.3.4. Láng giềng

Trong xử lý ảnh có một khái niệm rất quan trọng, đó là khái niệm láng
giềng. Có hai loại láng giềng: 4 láng giềng và 8 láng giềng.
Ø

4 láng giềng của một điểm (x,y) là một tập hợp bao gồm láng

giềng dọc và láng giềng ngang của nó:
N4((x,y)) = {(x+1,y), (x-1,y), (x,y+1), (x,y-1)}
Ø

(1.1)

8 láng giềng của (x,y) là một tập cha của 4 láng giềng và bao

gồm láng giềng ngang, dọc và chéo:
N8((x,y)) = N4((x,y)) È {(x+1,y+1), (x-1,y-1), (x+1,y-1), (x-1,y+1)} (1.2)
1.1.3.5. Vùng liên thông
Một vùng R được gọi là liên thông nếu bất kỳ hai điểm (xA,yA) và
(xB,yB) thuộc vào R có thể được nối bởi một đường (xA,yB) ... (xi-1,yi-1),
(xi,yi), (xi+1,yi+1) ... (xB,yB), mà các điểm (xi,yi) thuộc vào R và bất kỳ điểm
(xi,yi) nào đều kề sát với điểm trước (xi-1,yi-1) và điểm tiếp theo (xi+1,yi+1) trên
đường đó. Một điểm (xk,yk) được gọi là kề với điểm (xl,yl) nếu (xl,yl) thuộc
vào láng giềng trực tiếp của (xk,yk).
1.1.3.6. Biểu diễn ảnh


15
Trong biểu diễn ảnh, người ta dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là
pixel. Có thể xem một hàm hai biến chứa các thông tin như biểu diễn của ảnh,
việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải được mã hóa và lượng tử hóa. Việc lượng

tử hóa ảnh là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của một ảnh đã lấy
mẫu sang một số hữu hạn mức xám.
Một số mô hình thường được dùng trong xử lý ảnh, mô hình toán, mô
hình thống kê.
1.1.3.7. Tăng cường và khôi phục ảnh
Tăng cường ảnh là bước quan trọng tạo tiền đề cho xử lý ảnh, gồm một
loạt các kỹ thuật như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu…
Khôi phục ảnh là nhằm loại bỏ các suy giảm trong ảnh.
1.1.3.8. Biến đổi ảnh
Trong thuật ngữ biến đổi ảnh thường được dùng để nói đến một lớp các
ma trận đơn vị và các kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh. Một số loại biến đổi
được dùng như: biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard, tích Kronecker, biến
đổi Karhumen Loeve…
1.1.3.9. Khử nhiễu
Có 2 loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh
Ø Nhiều hệ thống: là nhiễu có quy luật có thể khử bằng các phép biến đổi
Ø Nhiễu ngẫu nhiên: vết bẩn không rõ nguyên nhân → khắc phục bằng
các phép lọc
1.1.3.10. Phân tích ảnh
Liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của một ảnh để đưa
ra một mô tả đầy đủ về ảnh. Các kỹ thuật được sử dụng ở đây nhằm mục đích
xác định biên của ảnh.
1.1.3.11. Nhận dạng ảnh
Là quá trình liên quan đến việc mô tả các đối tượng mà người ta muốn
đặc tả nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính
chủ yếu của đối tượng.


16
Có hai kiểu mô tả đối tượng đó là: mô tả tham số (nhận dạng theo tham

số) và mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc).
1.1.3.12. Nén ảnh
Dữ liệu ảnh cũng như các dữ liệu khác cần phải lưu trữ hay truyền đi
trên mạng, lượng thông tin để biểu diễn cho một ảnh là rất lớn . Do đó làm
giảm lượng thông tin hay nén dữ liệu là một nhu cầu cần thiết.
1.1.4. Các định dạng cơ bản trong xử lý ảnh
Trong quá trình xử lý ảnh, một ảnh thu nhận vào máy tính phải được
mã hóa. Hình ảnh khi lưu trữ dưới dạng tệp tin sẽ được số hóa. Một số dạng
ảnh đã được chuẩn hóa như: ảnh GIF, BMP, PCX, IMG, TIFF…
• Ảnh IMG: Là ảnh đen trắng, phần đầu của ảnh có 16 byte chứa các
thông tin cần thiết, ảnh IMG được nén theo từng dòng. Mỗi dòng bao gồm các
gói ( pack). Các dòng giống nhau cũng nén thành một gói.
• Ảnh PCX: Định dạng ảnh PCX là một trong những định dạng ảnh cổ
điển nhất, nó thường được dùng để lưu trữ ảnh, nó sử dụng phương pháp mã
loại dài RLE (Run-Length-Encoded ) để nén dữ liệu ảnh, quá trình nén và giải
nén được thực hiện trên từng dòng ảnh.
• Ảnh TIFF: Là ảnh mà dữ liệu chứa trong tệp thường được tổ chức
thành các nhóm dòng ( cột) quét của dữ liệu ảnh.
• Ảnh GIF (Graphics Interchanger Format): Với định dạng ảnh GIF
những vướng mắc mà các định dạng khác gặp phải khi số trong ảnh tăng lên
không còn nữa. Dạng ảnh GIF cho chất lượng cao độ phân giải đồ họa cũng
đạt cao, cho phép hiển thị trên hầu hết các phần cứng.
1.2. ẢNH Y HỌC
Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn
đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng (chẩn đoán cận lâm sàng).
Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ
các thiết bị, máy y tế (chẩn đoán hình ảnh) ngày càng chiếm một vai trò quan


17

trọng, nhất là ngày nay với sự trợ giúp của các thiết bị, máy y tế hiện đại,
công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ khiến cho hình ánh rõ nét và
chính xác hơn
1.2.1. Giới thiệu ảnh y học
Ảnh y học là kỹ thuật và qúa trình được sử dụng để tái tạo ra hình ảnh
cơ thể con người hoặc bộ phận cơ thể phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận
lâm sàng như chẩn đoán, kiểm tra bệnh hoặc khoa học y tế (bao gồm cả giải
phẫu và sinh lý). Ảnh y học theo nghĩa rộng của nó, nó là một phần của hình
ảnh sinh học và kết hợp X - Quang, y học hạt nhân, nội soi… dùng trong chẩn
đoán điều trị bệnh lý của con người) .

Viêm dạ dày cấp

Tụ máu não

Hình 1.3. Một số hình ảnh Y học
Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn
đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng (chẩn đoán cận lâm sàng).
Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ
các thiết bị, máy y tế (chẩn đoán hình ảnh) ngày càng chiếm một vai trò quan
trọng, nhất là ngày nay với sự trợ giúp của các thiết bị, máy y tế hiện đại,
công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ khiến cho hình ánh rõ nét và
chính xác hơn.
Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú, như chẩn đoán
qua hình ảnh X quang, hình ảnh siêu âm, siêu âm - Doppler màu, hình ảnh nội
soi (mà thông dụng là nội soi tiêu hoá và nội soi tiết niệu) hình ảnh chụp cắt


18
lớp vi tính (Computed Tomography Scanner- CT. Scanner), hình ảnh chụp

cộng hưởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging-mrl)...
Chẩn đoán hình ảnh đã góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác,
kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh. Như dựa trên hình ảnh siêu
âm, người thầy thuốc có thể đo được tương đối chính xác kích thước các tạng
đặc trong ổ bụng (gan, lách, thận, tuỵ, ...) và phát hiện các khối bất thường
nếu có. Từ hình ảnh siêu âm tim có thể xác định cấu trúc, kích thước các
buồng tim, van tim và các mạch máu lớn. Trong sản khoa, siêu âm giúp xác
định và theo dõi sự phát triển của thai nhi trong bụng mẹ; hình ảnh CT
Scanner giúp thầy thuốc xác định được một số bệnh lý ở sọ não, đặc biệt là
xác định máu tụ nội sọ, khối u não; chụp cộng hưởng từ hạt nhân xác định
chính xác hơn các hình thái và các khối bất thường trong cơ thể (nếu có).
Các thiết bị và máy y tế về chẩn đoán hình ảnh ngày càng ứng dụng
nhiều hơn về công nghệ thông tin, các phần mềm cho các máy Y tế ngày càng
được nâng cấp, nhất là khi kỹ thuật số ra đời và phát triển đã ghi nhận và phân
tích tín hiệu rất tốt, cho hình ảnh sâu hơn, chất lượng ảnh tốt hơn.
Hơn nữa việc giao diện giữa các thiết bị và máy y tế kỹ thuật cao với hệ
thống máy tính dùng trong quản lý tại bệnh viện và giữa các bệnh viện với
nhau ngày một nhiều, nên các giao thức truyền ảnh trên mạng được dưa ra (có
một chuẩn chung thống nhất, chất lượng ảnh đủ để chẩn đoán, giảm nhẹ gánh
nặng đường truyền), tạo nên phòng “hội chẩn ảo" giữa các chuyên gia y tế ở
xa nhau.
Hình ảnh X-Quang, hình ảnh lâm sàng lúc bệnh nhân vừa bị xảy ra tai
nạn (dùng máy ảnh số chụp) từ địa phương khác nhau, các tuyến chuyên khoa
khác nhau được truyền lên tuyến trên để xin ý kiến của các chuyên gia giỏi
giúp cho việc chẩn đoán và xử trí được tốt ngay từ tuyến dưới (đây thực chất
là một kiểu Telemedicine), chuyển tải ảnh qua hệ thống thông tin lưu trữ hình
ảnh (PACS). Phương thức truyền ảnh có thể dùng Email với những nơi chưa


19

có đường truyền tốt, hoặc trong tương lai dùng đường truyền trực tuyến qua
đường X25 của chính phủ.
Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong các thiết bị và máy y tế với
các phần mềm chuyên dụng đã tạo ra bước phát triển đột phá trong việc ghi
hình ảnh có chất lượng cao các cơ quan bị bệnh của cơ thể con người, giúp
cho các chuyên gia y tế chẩn đoán bệnh khách quan hơn, nhanh chóng hơn và
chính xác hơn nhiều. Với việc lưu trữ và truyền ảnh giữa các khoa, phòng
trong bệnh viện và giữa các bệnh viện với nhau đã tạo ra phòng "Hội chẩn
ảo", góp phần quan trọng vào việc sử dụng trí tuệ tập thể, đặc biệt là trí tuệ
của các chuyên gia y tế giỏi, chuyên gia đầu ngành trong chẩn đoán và điều trị
bệnh cho mọi người bệnh ở nhiều vùng đất nước khác nhau, thậm chí giữa các
nước khác nhau trên thế giới. Ứng dụng và phát triển công nghệ thông tin Y
tế đang là một đòi hỏi bức xúc của Ngành Y tế Việt Nam, nhằm xây dựng nền
y tế Việt Nam hiện đại, có công nghệ và kỹ thuật y học cao, đáp ứng được yêu
cầu chăm sóc sức khoẻ cho nhân dân.
1.2.2. Một số các chuẩn hình ảnh ứng dụng trong y tế
Các máy thiết bị và máy y tế chẩn đoán hình ảnh đầu tiên khi mới ra
đời chỉ là tín hiệu dạng sóng (Analog) đưa lên màn hình VIDEO của máy.
Theo thời gian, máy được chế tạo ngày càng có cấu hình cao hơn và chuyển
dần sang tín hiệu số, các phần mềm xử lý tín hiệu lưu trữ thông tin số ngay tại
các máy đó (ví dụ máy siêu âm có thể lưu được 5000 ảnh của bệnh nhân gần
đây nhất). Tuy nhiên, dần từng bước khi có các điều kiện đặt ra và nhu cầu
giao tiếp giữa các máy với nhau (ví dụ: máy CT Scanner chuyển cho máy
chiếu tia Coban...) và truyền ảnh số giữa các vùng với nhau để trợ giúp chẩn
đoán thì các chuẩn dữ liệu chung về hình ảnh của y tế dần ra đời. Vì vậy, các
máy y tế ngày nay có gắn thiết bị tin học thì đã sẵn sàng đưa ra các tín hiệu
thông qua các D-Shell chuẩn như COM, LPT... hoặc USB port. Tuy nhiên,
phần tín hiệu đưa ra các cổng này tuỳ nhà cung cấp trang bị phần mềm khi
người sử dụng yêu cầu.

20
Tuy nhiên có nhiều chuẩn để truyền ảnh trên mạng như chuẩn PACS
(Picture Archiving and Communication System) là hệ thống lưu trữ, xử lý và
truyền ảnh động, hoặc mạng xử lý và truyền ảnh số hoá DICOM (Digital
Imaging and Communications in Medicine). Tất cả các chuẩn này có chung
một tiêu chí là nén ảnh ở mức độ tối đa để giảm kích thước lưu trữ, giảm kích
thước khi truyền trên mạng, có các mức độ phân giải khác nhau khi truyền.
Nếu hình ảnh không cần chất lượng cao thì có thể truyền ở độ phân giải thấp
và khi cần độ nét để chẩn đoán với chất lượng cao thì truyền ảnh với các độ
phân giải cao hơn, nhưng tốc độ truyền trên mạng sẽ chậm đi nhiều. Các ảnh
truyền thường là các ảnh về X quang, ảnh siêu âm, ảnh nội soi, ảnh CT
Scanner... Việc truyền ảnh này giúp cho hỗ trợ chẩn đoán từ xa, cho các thầy
thuốc, học viên, sinh viên học tập và nghiên cứu.
1.2.2.1. Chuẩn PACS
PACS (Picture Archiving and Communication System) là hệ thống lưu
trữ, xử lý và truyền ảnh động. Hệ thống PACS lưu trữ hình ảnh và dữ liệu thu
thập được tương tác với hệ thống con trong cùng mạng. PACS có thể chỉ đơn
giản là một máy lấy ảnh với cơ sở dữ liệu nhỏ hay hệ thống quản trị ảnh trong
y khoa phức tạp để từ đó các máy trạm lấy ảnh về và xử lí
Hiện nay, hầu hết hệ thống PACS phát triển theo hệ thống kiến trúc mở
theo đó là việc truyền thông hình ảnh, định dạng ảnh và quản lí ảnh theo
chuẩn DICOM.
Người sử dụng dùng các máy trạm để hiển thị hình ảnh như là một giao
tiếp chính cho việc truy cập hình ảnh trên hệ thống PACS. Từ các máy trạm
hiển thị hình ảnh đó, người sử dụng có thể chẩn đoán, xem xét, phân tích. Các
chuyên gia về ngành X-Quang sử dụng các máy trạm chuẩn đoán như là một
công cụ chính. Máy trạm chuẩn đoán có phần cứng mạnh trong việc xử lí như
cần phải có màn hình với độ phân giải cao, máy tính mạnh với bộ nhớ lớn và
tốc độ CPU nhanh... các phần mềm được thiết kế cho việc quản lí nhiều các

máy máy lấy ảnh (như máy chụp x-quang, chụp cắt lớp ...), trao giao tiếp hình


21
ảnh giữa chúng với nhau (thường là sử dụng dịch vụ DICOM), xem xét ảnh,
hiển thị ảnh động, xử lí ảnh và quản lí luồng công việc của bệnh nhân và
những thông tin có liên quan.
Trong PACS điều trị bệnh, ảnh được thu thập từ các máy lấy ảnh dùng trong y
khoa (modality) rồi gửi tới máy chủ PACS thông qua DICOM gateway sau đó
được đưa tới máy trạm chẩn đoán với dịch vụ truyền thông DICOM.

Hình 1.4. Mô hình PACS
Phân bổ và hiển thị ảnh
Có 2 cách để đưa hình ảnh của máy chủ PACS tới máy trạm chẩn đoán:
Phương thức Store-Forward (dịch vụ truyền thông DICOM Storage):
đầu tiên ảnh được đưa đến và lưu trữ ở máy chủ PACS, tiếp đến là chuyển tới
máy trạm hiển thị với một lộ trình định sẵn.
Phương thức Query/Retrieval (dịch vụ DICOM Query/Retrieval): các
chuyên gia về ngành X-quang lấy thông tin lịch làm việc từ RIS (Radiology


22
Information System) hoặc PACS sau đó truy vấn và tìm kiếm ảnh từ máy chủ
PACS hoặc cơ sở dữ liệu ảnh để hiển thị trên máy trạm của họ.
Cách phân bố ảnh theo phương thức Store-Forward được sử dụng
thường hơn phương thức Query/Retrieval trong lĩnh vực ngành X-quang về
bộ phận sinh học. Trong chuyên môn về bộ phận sinh học được tổ chức theo
từng nhóm dựa theo bộ phận sinh học như: ngực , thần kinh hoặc thuộc khoa
nhi … Với phương thức Query/Retrieval thì thích hợp nhất cho các chuyên
gia X-quang trong khâu giao tiếp với máy lấy ảnh (Modalities). Các máy ảnh

được chia theo nhóm dựa trên chức năng của máy như : CT , MR hoặc X-ray.
Trong từng lĩnh vực chuyên môn mà các máy lấy ảnh sẽ sinh ra những hình
ảnh tương tự nhau tại cùng một điểm đều này sẽ gây khó khăn cho máy chủ
PACS trong việc phân phối tất cả ảnh của cùng một bệnh nhân cho bác sĩ
chẩn đoán. Trong trường hợp này rất thích hợp cho phương thức
Query/Retrieval.
Chức năng chính của máy trạm chẩn đoán là hiển thị ảnh và thao tác
trên ảnh kết hợp với việc quản lí ảnh và chức năng xử lí ảnh. Trong môi
trường Windows, người sử dụng thao tác ảnh bằng các thiết bị nhập như:
chuột và bàn phím. Các thao tác đó được chuyển thành các chuỗi sự kiện.
Tiến trình hiển thị ảnh có thể được điều khiển bởi một chuỗi sự kiện như hình.

Hình 1.5. Tiến trình hiển thị ảnh


23
Kĩ thuật Web
Sự phát triển của Internet mở ra một viễn cảnh mới trong vấn đề truyền
thông dữ liệu trên toàn thế giới. Sự phát triển nhanh chóng của Web làm mở
rộng thêm việc truyền thông trao đổi một lượng lớn người sử dụng. Việc phát
triển nhanh chóng của WWW là cung cấp một giao tiếp chuẩn cho việc xem
và liên kết đến các tài liệu số như hình ảnh, văn bản, âm thanh và ảnh động.
Các máy trạm chuẩn đoán, máy trạm ứng dụng y khoa, hoặc máy trạm
xem ảnh ở xa thì việc truyền tải hình ảnh với kích thước tối ưu là thực sự cần
thiết. Hệ thống ảnh y khoa dựa trên môi trường web là giải pháp hiệu quả nhất
cho mục đích này bằng cách sử dụng giao thức HTTP.

Kiến trúc hệ thống quản lý ảnh y khoa trong môi trường PACS

Hình 1.6. Kiến trúc PACS điển hình cho hiển thị ảnh dựa trên Web

24
1.1.2.2. Chuẩn DICOM
DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) là tập
hợp các chuẩn dùng trong xử lý, truyền tải thông tin, lưu trữ và in ấn ảnh y
khoa. Chuẩn này bao gồm định dạng file và giao thức truyền tin qua mạng.
File DICOM được trao đổi giữa 2 chương trình và các chương trình này có
thể nhận ảnh và dữ liệu bệnh nhân theo định dạng DICOM.
DICOM cho phép tích hợp máy scan, server, trạm làm việc, máy tin và
các thiết bị mạng từ nhiều nhà cung cấp vào thành một hệ thống truyền tải và
lưu trữ ảnh. Ngày nay, các hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụng
DICOM vào trong các thiết bị y khoa, máy trạm, server, các hệ thống quản lý
trong hoạt động khám và chữa bệnh.
Vào năm 1970, trước sự ra đời của phương pháp chụp ảnh CT
(Computed Tomography) cùng với các phương pháp chụp ảnh số dùng trong
chẩn đoán y khoa khác, và sự gia tăng nhanh chóng ứng dụng tin học trong
các lĩnh vực y khoa lâm sàng, hai tổ chức ACR (American College of
Radiology) và NEMA (National Electrical Manufacturers Association) đã
nhận ra yêu cầu cần thiết phải có một phương pháp chuẩn dùng trong truyền
tải ảnh và thông tin liên quan đến ảnh đó giữa các nhà sản xuất thiết bị y
khoa, mặc dù những thiết bị đó lại cho ra các định dạng ảnh khác nhau. Trong
năm 1983, ACR và NEMA thành lập một ủy ban chung để phát triển phương
pháp chuẩn này với mục đích:
Ø Tăng cường khả năng giao tiếp thông tin ảnh số của thiết bị y khoa bất
chấp thiết bị đó là của nhà sản xuất nào.
Ø Giúp cho việc phát triển và mở rộng các hệ thống truyển tải và lưu trữ
ảnh trở nên dễ dàng hơn, từ đó các hệ thống này sẽ là nơi giao tiếp với
các hệ thống thông tin bệnh viện khác.
Ø Cho phép tạo ra thông tin thông tin cở sở chẩn đoán, từ đó nhiều loại

thiết bị chẩn bệnh sẽ sử dụng và tra cứu thông tin này.