Xử lý ảnh trong siêu âm

Xử lý ảnh trong siêu âm
• I./ Tổng quan về kỹ thuật xử lý ảnh trong siêu âm
• II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
• III./ Hiện tượng ảnh giả trong siêu âm


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
1. Biểu diễn không gian

• Thông tin thu được từ một vùng quét được chia thành các điểm ảnh
(pixel)
• Tọa độ của điểm ảnh được xác định qua 2 thông số: vị trí của đầu dò
và khoảng thời gian giữa xung truyền và tín hiệu phản xạ về
• Biên độ của tín hiệu phản xạ về được số hóa cho các pixel chứa trong
bộ nhớ máy tính
• Để biếu diễn chi tiết không gian → đòi hỏi kích cỡ ma trận tăng → bộ
nhớ máy tính lớn và thời gian xử lý chậm
• Thông thường dùng ma trận 512x512


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
2. Thu ảnh


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
2. Thu ảnh
Ma trận ảnh


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
3. Tiền xử lý

a. Khuếch đại bù thời gian (TGC)

• Việc suy giảm năng lượng trong quá trình truyền lan trong môi trường
của sóng siêu âm tỷ lệ thuận với độ sâu của lớp tiếp giáp
• Việc bù mất mát năng lượng nói trên được thực hiện theo nguyên tắc
khuếch đại hàm mũ thời gian
b. Khuếch đại chọn lọc
• Việc khuếch đại tín hiệu thu được (cộng với TGC) có thể được áp
dụng trong kiểu không đồng nhất để làm nổi bật tín hiệu dội trong một
vùng quan tâm cụ thể
• Người vận hành sử dụng các phím điều khiển trượt để đặt độ sâu, mỗi
phím tương đương một độ sâu cụ thể


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
3. Tiền xử lý
c. Nén Loga

• Thông thường biên độ các tín hiệu số được lưu trữ trong RAM với 8
bit, tức là tương ứng với 256 mức biên độ khác nhau → Nếu biểu diễn
tuyến tính thì (biên độ)max = 256 lần (biên độ)min
• Thực tế phạm vi giá trị biên độ của tín hiệu nhận được có thể được mở
rộng lên bậc mũ 4 hoặc hơn
• Chuyển đổi Loga của các mức tín hiệu (1-104) được sử dụng để nén
mức tín hiệu xuốn dải hẹp (0-255)
• Thiết bị hiển thị không có khả năng xử lý một dải rộng các mức tín
hiệu nên việc nén là cần thiết


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm

3. Tiền xử lý
d. Điền đầy nội suy

• Việc quét tia siêu âm không thể
quét hết tất cả các pixel → các
pixel không được quét qua sẽ có
giá trị 0
• Kỹ thuật này gán giá trị cho các
pixel không được quét qua dực
vào giá trị trung bình của các
pixel xung quanh


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
3. Tiền xử lý
e. Khuếch đại tăng bờ

• Giá trị gốc chứ không phải giá trị mới được dùng cho tính toán
• Lượng khuếch đại tăng bờ có thể được thay đổi bằng cách thay đổi
biên độ hoặc số các hệ số trọng lượng được sử dụng trong quá trình
lọc


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
3. Tiền xử lý
f. Cập nhật ảnh

• Do chùm tia siêu âm quét lặp đi lặp lại nên luôn thu được thông tin
mới → dữ liệu cần được cập nhật liên tục
• Có 2 cách cập nhật:

– Cập nhật theo chế độ giá trị cuối
– Cập nhật theo giá trị trung bình giữa giá trị mới và giá trị cũ


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
3. Tiền xử lý
g. Phóng ảnh lúc ghi

• Phóng ảnh thì độ phân giải tăng nhưng nhược điểm là diện khảo sát bị
giới hạn


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
4. Hậu xử lý (Hiển thị)
a. Ánh xạ mức xám

• Mỗi pixel được hiển thị như một chấm sáng có độ sáng riêng biệt phụ
thuộc vào biên độ của tín hiệu đối với quan hệ mức xám.
• Rất cần thiết để phân biệt giữa số các giá trị có thể lưu trữ trong máy
tính với số mức xám có thể được hiển thị trên thiết bị đầu ra.
• Các pixel với cùng giá trị được hiển thị dưới các mức sáng khác nhau
hoặc giống nhau tùy thuộc vào mapping thang xám (ánh xạ thang
xám)
• Thay đổi mapping thang xám không thay đổi giá trị được lưu trữ trong
RAM, nó thay đổi các pixel được hiển thị dựa trên các giá trị được lưu
trữ của nó


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
4. Hậu xử lý (Hiển thị)

b. Thay đổi trắng đen

• Các mức sáng trong thang xám được chuyển đổi để mở rộng từ trắng
(biên độ thấp) thành đen (biên độ cao)
c. Dừng khung
• Kỹ thuật dừng khung cho phép người quan sát xem xét một khung ảnh
trong thời gian kéo dài
• Một khung được lưu trữ trong bộ đệm đầu ra và không được cập nhật
cho đến khi kết thúc lựa chọn này
• Tốc độ khung vẫn là 30 khung/ 1 giây nhưng chỉ hiển thị một khung
nên ta đạt được ảnh đứng yên.


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
4. Hậu xử lý (Hiển thị)
d. Trung bình khung hay liên tục khung

• Việc đo đạc nhiều lần cùng một cấu trúc sẽ không thể cho cùng môt
kết quả, các kết quả này chỉ rất gần nhau
• Lấy trung bình khung cho phép các khung liên tục (4 khung hoặc hơn)
được cộng với nhau để làm tăng tỷ số tín/tạp
• Tốc độ chuyển động của các mặt phân cách là nhỏ nên việc lấy trung
bình khung sẽ gây ra trễ và nhòe
• Kỹ thuật lấy trung bình khung không cho phép đạt được các cấu trúc
có chất lượng cao, đồng thời đòi hỏi bộ nhớ lớn.


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
4. Hậu xử lý (Hiển thị)
e. Phóng đại lúc đọc

• Phóng đại lúc đọc là kỹ thuật tạo ảnh mà phần hiển thị cho mỗi pixel
có kich thước lớn hơn
• Số các pixel trong vùng quét vẫn không đổi, và vùng mô được biểu
diễn bằng mỗi pixel cũng không đổi
• Phóng đại lúc đọc không làm tăng độ chi tiết về không gian.


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
4. Hậu xử lý (Hiển thị)
e. Phóng đại lúc đọc

• Để tăng số pixel trong ma trận →
kỹ thuật nội suy tuyến tính kép

• Nội suy tuyến tính kép cung cấp
ảnh tốt hơn do các pixel đơn ít có
thể nhận rõ hơn. Tuy nhiên độ
phân giải không gian không được
cải thiện bằng cách tăng kích
thước ma trận


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
5. Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)

• Đặt ngưỡng là kỹ thuật mà nhờ đó các giá trị thấp hơn hoặc cao hơn
giá trị tham chiếu thì không được hiển thị
• Tăng độ tương phản là kỹ thuật làm cho các pixel cùng giá trị trên một
phạm vi hẹp có thể được hiển thị với các mức xám khác nhau theo

khuếch đại tăng độ tương phản
• Lọc số nhằm nói tới phân biệt một giá trị pixel dựa trên các giá trị
pixel xung quanh
• Xác định vùng quan tâm cho phép người vận hành chỉ rõ phần nahr
cần cho việc xem xét đặc biệt


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
5. Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)
a. Tăng tương phản

• Giả sử dữ liệu tín hiệu
trong bộ nhớ máy tính có
phạm vi từ 0 tới 210 và các
giá trị pixel trong 8 mức
xám
• Mỗi mức xám được kết
hợp với một dải giá trị
• Giả thiết rằng với các tín
hiệu echo có giá trị nhỏ
hơn 56 không được quan
tâm → coi là màu đen và
phân bố lại mức xám


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
5. Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)
b. Làm trơn (Smoothing)

• Làm trơn là kỹ thuật xử lý ảnh cho việc giảm nhiễu bằng cách lấy

trung bình các giá trị các pixel lân cận nếu các pixel miêu tả cùng một
thực thể vật lý. Giả thiết này không được dùng tại các đường ranh giới
có các thay đổi giá trị pixel nhanh.
• Làm trơn là kỹ thuật lấy trung bình hai chiều, cách làm trơn thông
dụng nhất là dùng hàm 9 điểm


I./ Tổng quan về xử lý ảnh trong siêu âm
5. Hậu xử lý (Phân tích và thao tác dữ liệu)
c. Tăng bờ

• Thường dùng hệ số trọng lượng âm
• Tăng bờ giúp cho ảnh sắc nét hơn nhiều
d. Vùng quan tâm
• Dùng con trỏ để xác định vùng quan tâm
• Các pixel trong vùng quan tâm được chỉ định để xem xét đặ biệt
e. Tính khoảng cách
• Ma trận ảnh được định cỡ theo kích thước vật lý
• Khoảng cách giữa 2 điểm quan tâm được xác định bằng cách đếm số
pixel giữa 2 điểm
• Độ chính xác của đo khoảng cách phụ thuộc vào số lượng pixel trong
ma trận ảnh


II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
Bộ xử lý
Display

1

Scan converter
(Memory)

Điều khiển
quét
Pulser

Receiver

Đầu dò
Xung tới

Xung phản xạ


II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
1. Các bước xử lý tín hiệu

• Tín hiệu thu nhận được tại đầu
dò phải được xử lý trước khi
được thể hiện thành hình ảnh.
• Quá trình nhận và xử lý của
tín hiệu được mô tả như hình
bên.
• Sau đây ta sẽ xem xét kỹ hơn
các bước trên.

Phát hiện
Tiền khuếch đại
Khuếch đại TGC

Nén logarith
Khử điều biến và
dựng bao hình
Loại bỏ nhiễu
Tín hiệu đã xử lý


II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
1. Các bước xử lý tín hiệu

• a. Tiền khuếch đại:
•
Biên độ của echo thường rất nhỏ, khoảng cỡ μV, được làm tăng
lên nhờ bộ tiền khuếch đại. Hệ số khuếch đại (gain) tính bằng dB là tỉ
số giữa biên độ sau (A2) và trước (A1) khi khuếch đại:
Gain (dB) = 20log[A2/A1]
•
Thường sau bước khuếch đại này tín hiệu analog sẽ được biến thành
tín hiệu digital nhờ bộ biến đổi ADC (analog-to-digital converter).
• b. Khuếch đại TGC:
•
Một sự khuếch đại khác, như đã nói ở trên, là khuếch đại bù trừ
thời gian (time-gain compensation, TGC) để bù trừ sự suy giảm tín
hiệu trên đường đi.
•
-Độ khuếch đại của TCG được đặt càng lớn khi thời gian
để echo về đến đầu dò càng lớn, tương ứng với vị trí phản xạ càng ở
sâu.
•
-Khi chưa có khuếch đại, biên độ các tín hiệu có thể

chênh lệch nhau hàng triệu lần (1.000.000:1), tương ứng 120 dB.
TGC giúp giảm sự chênh lệch này xuống còn khoảng 300:1, tức 50
dB.


II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
1. Các bước xử lý tín hiệu
Biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu số


II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
1. Các bước xử lý tín hiệu

• c. Nén khoảng động (dynamic range compression):
– khoảng hoạt động của một thiết bị điện tử là khoảng cách giữa
mức tín hiệu ngưỡng (bắt đầu hoạt động) cho đến mức bão hòa.
Trong hệ máy siêu âm, hai thành phần chính là bộ biến đổi ADC
và mạch hiển thị. Khoảng hoạt động của chúng vào khoảng 20-30
dB.
– Do đó khoảng cách tín hiệu từ 50 dB sau TGC cần phải được nén
xuống các giá trị trên.
– Việc nén này được thực hiện bằng phương pháp khuếch đại
logarith (logarithmic amplication), khi đó tín hiệu đầu ra sẽ tỉ lệ
với logarith của tín hiệu đầu vào.
• d. Chỉnh lưu và khử điều biến tín hiệu thành một xung duy nhất
• e. Loại bỏ tạp âm biên độ thấp.
•
Sau 5 bước trên, ta có tín hiệu đã được xử lý. Tín hiệu này sẽ
được chuyển đến bộ scan converter để chuẩn bị cho việc hiển thị.

II./ Một hệ thống thu nhận ảnh đơn giản
2. Bộ biến đổi quét

• Scan converter là bộ phận làm nhiệm vụ tạo ra ảnh 2D từ các thông
tin nhận được từ echo của từng tia và thực hiện việc biến đổi sự quét
ảnh (scan conversion) sao cho có thể hiển thị trên màn hình.
• Sở dĩ phải thực hiện việc biến đổi sự quét ảnh vì tính hiệu nhận được
và tín hiệu hiển thị là ở hai dạng khác nhau.
• Các bộ biến đổi quét trước đây thường là loại tương tự với ống tia
cathode (CRT) có bộ nhớ, thường không ổn định. Các bộ biến đổi
quét hiện đại là loại kỹ thuật số hoạt động ổn định và có nhiều chức
năng xử lý toán học.
• Thông tin số được chuyển qua bộ nhớ của bộ biến đổi quét, được xếp
thành ma trận (thường gồm 512 hàng x 512 cột) với các phần tử là các
pixel. Địa chỉ (hàng, cột) của các phần tử tương ứng với vị trí (độ sâu,
vị trí theo phương ngang) của các cấu trúc phản xạ trong cơ thể. Việc
xác định các quan hệ này phụ thuộc vào hướng chùm tia và thời gian
phản xạ về của echo.