Thiết lập phần mềm phân tích và xử lý hình ảnh 3 chiều trong chẩn đoán y khoa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------o0o---------

TRẦN PHAN SƠN GIANG

THIẾT LẬP PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ
HÌNH ẢNH 3 CHIỀU TRONG CHẨN ĐỐN Y KHOA
Chuyên ngành : Vật Lý Kỹ Thuật

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. HCM, Tháng 07/2009

i


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : .......................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : .............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : .............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ......... tháng ......... năm .........

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHBK TP. HCM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
--------------------------------------------Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 03 Tháng 07 Năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên :
Ngành :
Khóa :

TRẦN PHAN SƠN GIANG
Vật lý kỹ thuật
2007 - 2009

MSSV: 01207132

1. Tên luận văn:
THIẾT LẬP PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU
TRONG CHẨN ĐOÁN Y KHOA
2. Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ :
Lập trình phần mềm phân tích và xử lý ảnh 3 chiều đáp ứng cho nhu cầu ứng
dụng hình ảnh 3 chiều trong y khoa chẩn đốn. Chƣơng trình đƣợc thiết kế với
những tính năng cần thiết của một công cụ nghiên cứu ảnh y khoa 3 chiều, ngƣời sử
dụng dễ dàng thao tác và tạo ra các kết quả giá trị phục vụ cho lĩnh vực nghiên cứu
và giảng dạy.

Nội dung :
- Nghiên cứu những đặc điểm cơ bản của hình ảnh y khoa.
- Khảo sát các qui trình xử lý ảnh và một số thuật tốn cần thiết liên quan, ứng
dụng vào lập trình phần mềm.
- Xây dựng phần mềm bằng ngơn ngữ lập trình Java, đáp ứng khả năng duyệt
và xử lý linh hoạt các hình ảnh y khoa chẩn đoán 3 chiều.
3. Ngày giao nhiệm vụ:

02/02/2009

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

03/07/2009

5. Họ và tên cán bộ hƣớng dẫn: TS. Huỳnh Quang Linh
Ngày 03 tháng 07 năm 2009
Cán bộ hƣớng dẫn

Chủ nhiệm Bộ môn

iii

Chủ nhiệm khoa


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến ngƣời Thầy, cán bộ
hƣớng dẫn và đồng thời là Trƣởng Khoa khoa Khoa Học Ứng Dụng – Tiến sĩ
Huỳnh Quang Linh. Trong gần 5 năm đại học và 2 năm học cao học tại Khoa, Thầy
không những vừa cung cấp cho tôi những kiến thức vô giá, vừa củng cố lại những

kinh nghiệm đã truyền đạt cho tơi thời sinh viên và cịn tạo điều kiện thuận lợi để
tơi có thể dễ dàng học tập, nghiên cứu các công nghệ cao cấp trong lĩnh vực trang
thiết bị chẩn đốn hình ảnh y khoa. Nhờ thế mà tơi có đƣợc nền tảng vững chắc để
có thể hồn thành luận văn này. Xin cảm ơn Thầy.
Tôi cũng muốn gởi lời cảm ơn đến gia đình đã ủng hộ, tin tƣởng và làm động
lực tinh thần cho tơi có đƣợc sự quyết tâm cao độ và nghị lực mạnh mẽ trong quá
trình thực hiện luận văn.
Luận văn này thuộc một lĩnh vực kỹ thuật khá mới mẻ tại Việt Nam, nên
trong q trình thực hiện khơng thể tránh khỏi những sai sót về mặt từ ngữ chun
mơn. Mong q Thầy Cơ và các bạn nghiên cứu có thể góp ý để về sau chúng ta có
đƣợc thuận lợi khi học tập và giao tiếp trong lĩnh vực kỹ thuật này.
Xin chân thành cảm ơn.

iv


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Những năm gần đây, xử lý hình ảnh y khoa 3 chiều đã và đang là một lĩnh vực
lớn, thu hút nhiều mối quan tâm từ các nhà nghiên cứu, các y bác sĩ đồng thời cũng
đặt ra nhiều thử thách trong cách thức tiếp cận, khảo sát và vận dụng các giá trị của
ảnh 3 chiều phục vụ cho lĩnh vực nghiên cứu y sinh và ứng dụng lâm sàng thực tiễn.
Luận văn này bao gồm một bản khảo sát chi tiết về ảnh y khoa 3 chiều, các phƣơng
thức xử lý và thuật toán kèm theo. Trên cơ sở đó, ứng dụng một số kỹ thuật vào
thiết kế phần mềm xử lý ảnh y khoa 3 chiều bằng ngơn ngữ lập trình Java. Sau khi
tiến hành thực nghiệm và đánh giá, phần mềm cho ra nhiều kết quả có giá trị và góp
phần đáng kể phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy. Với việc tận dụng ƣu thế của
ngơn ngữ lập trình đa nền và những hình thức tăng cƣờng của Java, phần mềm
khơng những hoạt động tốt trên các nền máy tính khác nhau mà cịn có tiềm năng
lớn trong việc mở rộng các phƣơng thức xử lý ảnh.

v


ABSTRACT

In recent years, three-dimensions medical image processing has been
considering as a large field, which is not only a big interest of bio-medical
researchers and physicians, but also a challenge in processing and making threedimensions images useful to bio-medical researches and practically clinical
applications. This thesis consists of a detailed survey of three-dimensions medical
images with processing methods, which are followed by several of special
algorithms. Through this survey, some of algorithms are usefully applied into
designing a Java 3D medical image processing software. After validation and
evaluation, the results of this software are found to be significantly useful in
medical research and education. By taking the advantages of multi-platform
property and advanced packages of Java, this software not only work well with
different platforms, but also potentially have image processing methods to be
extended.

vi


MỤC LỤC
ĐỀ MỤC

Trang

Trang bìa .................................................................................................................... i
Nhiệm vụ luận văn ................................................................................................... iii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iv

Tóm tắt ....................................................................................................................... v
Mục lục..................................................................................................................... vii
Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................ x
Danh mục các hình ảnh .......................................................................................... xii

CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU

1

1.1 Tổng quan ......................................................................................................... 1
1.2 Nhu cầu ............................................................................................................. 2
1.3 Nhận định vấn đề ............................................................................................. 4
1.4 Mục tiêu luận văn ............................................................................................. 5

CHƢƠNG 2 : NỀN TẢNG NGHIÊN CỨU

6

2.1 Lý thuyết về hình ảnh y khoa.......................................................................... 6
2.1.1. Ảnh DICOM ................................................................................................. 6
2.1.2. Đại lƣợng ảnh 3 chiều .................................................................................. 7
2.2 Những phƣơng tiện tạo ảnh y khoa ................................................................ 9
2.3 Một số công cụ và phần mềm ảnh y khoa .................................................... 12
2.3.1. ImageJ ......................................................................................................... 12
2.3.2. ITK .............................................................................................................. 14
2.3.3. VTK ............................................................................................................. 15
2.3.4. sgDICOM.................................................................................................... 16
2.3.5. MIPAV ........................................................................................................ 16

vii

CHƢƠNG 3 :

KHẢO SÁT CÁC PHƢƠNG THỨC XỬ LÝ

18

ẢNH 3 CHIỀU
3.1 Tổng quát ........................................................................................................ 18
3.2 Qui trình phân đoạn ảnh ............................................................................... 20
3.2.1. Lọc bất đẳng hƣớng ..................................................................................... 21
3.2.2. Mơ hình Snake GVF .................................................................................... 22
3.2.3. Phân đoạn đám Fuzzy C-Mean .................................................................. 24
3.3 Hiển thị trực quan bề mặt ............................................................................. 26
3.4 Hiển thị trực quan khối ................................................................................. 33
3.4.1. Giải thuật chiếu quang tia khối .................................................................. 33
3.4.2. Giải thuật tìm thừa số trƣợt-méo ............................................................... 36
3.4.3. Thiết lập chất liệu ........................................................................................ 49

CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM TRÊN NỀN JAVA

61

4.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................... 61
4.1.1. JAI ................................................................................................................. 62
4.1.2. Java 3D .......................................................................................................... 75
4.2 Trình tự thiết kế phần mềm xử lý ảnh 3D ................................................... 87
4.2.1. Thiết kế giao diện ......................................................................................... 87
4.2.2. Thiết lập các mặt phẳng chiếu .................................................................... 88

4.2.3. Hiển thị trực quan ảnh 3D .......................................................................... 89
4.2.4. Xây dựng các công cụ xử lý ảnh ................................................................. 90
4.3 Đánh giá kết quả đạt đƣợc và so sánh .......................................................... 91
4.3.1. Trình duyệt ảnh 3D...................................................................................... 91
4.3.2. Hiển thị trực quan ảnh khối........................................................................ 95
4.3.3. Công cụ xử lý ảnh 3D .................................................................................. 96
4.3.4. So sánh với một số phần mềm khác ........................................................... 99
4.4 Tổng kết ........................................................................................................ 102

viii


CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN

103

5.1 Đánh giá kết quả thử nghiệm chƣơng trình .............................................. 103
5.1.1. Trình duyệt ảnh 3D.................................................................................... 103
5.1.2. Chức năng hiển thị trực quan ................................................................... 103
5.1.3. Các công cụ xử lý ảnh ................................................................................ 104
5.2 Định hƣớng phát triển ................................................................................. 104

THAM KHẢO

105

PHỤ LỤC

107

ix


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2D, 3D, 4D : Two-Dimension, Three-Dimension, Four-Dimension
2 chiều, 3 chiều, 4 chiều
API

: Application Programming Interface
Giao diện lập trình ứng dụng

AWT

: Abstract Window Toolkit
Bộ dụng cụ window tƣợng hình

CT

: Computed Tomography
Chụp cắt lớp điện tốn

DICOM

: Digital Imaging and Communications in Medicine
Hiển thị hình ảnh số và giao tiếp trong y khoa

FCM

: Fuzzy C-Mean

Giải thuật fuzzy C-mean

fMRI

: Functional Magnetic Resonance Imaging
Hiển thị hình ảnh cộng hƣởng từ chức năng

GVF

: Gradient Vector Flow
Giải thuật dòng vectơ gradient

ITK

: Insight Segmentation and Registration Toolkit
Bộ dụng cụ phân đoạn và hợp nhất

JAI

: Java Advanced Imaging
Hiển thị hình ảnh tăng cƣờng trong Java

JDK

: Java Development Toolkit
Bộ dụng cụ phát triển Java

MRI

: Magnetic Resonance Imaging

Hiển thị hình ảnh cộng hƣởng từ

NEMA

: National Electrical Manufacturers Association
Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia

NIH

: National Institute of Health

x


Học viện y khoa quốc gia
OpenGL

: Open Graphics Library
Thƣ viện đồ họa mở

PET

: Positron Emission Tomography
Chụp cắt lớp phát xạ positron

RF

: Radio Frequency
Tần số vô tuyến

ROI

: Regions Of Interest
Vùng quan tâm

SPECT

: Single Photon Emission Computed Tomography
Chụp cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon

VOI

: Volumes Of Interest
Khối quan tâm

VTK

: Visualization Toolkit
Bộ dụng cụ hiển thị trực quan

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 : Voxel - đơn vị biểu diễn thể tích............................................................... 8
Hình 3.1 : Lọc bất đẳng hƣớng các ảnh MRI của tim ........................................... 22
Hình 3.2 : Trƣờng GVF tách ra từ ảnh MRI của tâm thất trái ............................ 24
Hình 3.3 : Phân đoạn ảnh MRI bụng bằng thuật tốn đám Fuzzy C-mean ........ 26
Hình 3.4 : Biến đổi tam giác đạc của não bộ con ngƣời ......................................... 27
Hình 3.5 : Giải thuật “hình vng” di động ........................................................... 28

Hình 3.6 : Qui ƣớc về đỉnh và cạnh - thuật toán khối lập phƣơng di động ......... 29
Hình 3.7 : Các trƣờng hợp giao nhau - Giải thuật khối lâp phƣơng di động ...... 30
Hình 3.8 : Hiệu ứng bóng và ánh sáng .................................................................... 32
Hình 3.9 : Minh họa phƣơng trình diễn dịch .......................................................... 34
Hình 3.10 : Sơ đồ bố trí giải thuật chiếu quang tia khối .......................................... 35
Hình 3.11 : Các bƣớc thực hiện giải thuật chiếu quang tia khối vật ...................... 36
Hình 3.12 : Khơng gian vật thể trƣợt trong phép chiếu song song ......................... 37
Hình 3.13 : Khơng gian vật thể trƣợt trong phép chiếu phối cảnh ........................ 38
Hình 3.14 : Thuật tốn trƣợt-méo lực brute ............................................................. 40
Hình 3.15 : Xác định hệ số trƣợt affine ..................................................................... 42
Hình 3.16 : Biến dạng trƣợt trong phép tìm thừa số trƣợt-méo phối cảnh ........... 44
Hình 3.17 : Phép biến đổi điều chỉnh tỷ lệ phối cảnh ............................................... 45
Hình 3.18 : Lấy mẫu một lớp cắt voxel đã dịch chuyển ........................................... 48
Hình 3.19 : Tạo lớp chất liệu vào một khối thể tích đang biểu diễn ....................... 50
Hình 3.20 : Cắt lớp chất liệu 3D với những mặt cầu ................................................ 52
Hình 4.1 : Biểu tƣợng tƣợng trƣng cho đối tƣợng trong các sơ đồ tạo hình ....... 78
Hình 4.2 : Ví dụ về sơ đồ tạo hình đầu tiên ............................................................. 79
Hình 4.3 : Ví dụ về sơ đồ tạo hình bất qui tắc ........................................................ 80
Hình 4.4 : Một trƣờng hợp khắc phục cho sơ đồ tạo hình bất qui tắc ................. 81
Hình 4.5 : Hệ thống phân cấp lớp giao diện lập trình ứng dụng Java 3D ........... 83
Hình 4.6 : Một đối tƣợng khơng gian đơn ............................................................... 85

xii


Hình 4.7 : Miêu tả về bản ảnh và vị trí mắt trong khơng gian ảo......................... 86
Hình 4.8 : Giao diện cơ bản của phần mềm sgDICOM-J...................................... 88
Hình 4.9 : Duyệt hình ảnh và biểu diễn trên những mặt phẳng trực giao ........... 93
Hình 4.10 : Tách mép ảnh 3D ..................................................................................... 94
Hình 4.11 : Biểu diễn 3 mặt cắt ảnh trong khơng gian 3 chiều ............................... 95

Hình 4.12 : Trƣợt ảnh 3 chiều theo chiều ngang trên mặt phẳng XOZ ................. 96
Hình 4.13 : Tạo VOIs với kích thƣớc mong muốn ................................................... 97
Hình 4.14 : Áp dụng các bảng tra cứu màu y khoa đặc trƣng ................................ 98
Hình 4.15 : Ảnh khối toàn phần của lồng ngực con ngƣời ...................................... 98
Hình 4.16 : Trình duyệt ảnh 3D của phần mềm sgDICOM .................................. 101
Hình 4.17 : Trình duyệt ảnh 3D của phần mềm MIPAV ...................................... 101

xiii


Luận Văn Thạc Sĩ

CHƢƠNG 1 :

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

GIỚI THIỆU

1.1 TỔNG QUAN
Hiển thị hình ảnh y sinh, hay nói một cách cụ thể quen thuộc hơn là hình ảnh
chẩn đốn y khoa đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu y
sinh và các ứng dụng lâm sàng thực tiễn. Những chuyên gia nghiên cứu và tái tạo
ảnh 3 chiều của virus từ ảnh quan sát qua kính hiển vi, những bác sĩ X-quang nhận
dạng và phân tích những khối u từ ảnh các lớp cắt MRI và CT, những chuyên gia về
thần kinh khảo sát q trình chuyển hóa cục bộ từ hình ảnh của các lớp cắt SPECT,
PET và MRI chức năng, những bác sĩ, chuyên viên kỹ thuật y khoa khảo sát đánh
giá ung thư qua những hình ảnh hợp nhất 2 chiều, 3 chiều, 4 chiều đa phương tiện.
Việc phân tích những dạng hình ảnh riêng biệt này địi hỏi phải có những cơng cụ
tính tốn và hiển thị điện tốn chun biệt.
Mặc dù đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về khảo sát hình ảnh y khoa, từ

ảnh 2 chiều đến ảnh 3 chiều, 4 chiều v.v... nhưng trên thực tế vẫn chưa thực sự đáp
ứng được những nhu cầu khác nhau từ phía người sử dụng, đặc biệt là khía cạnh
ảnh 3 chiều vẫn cịn rất nhiều vấn đề cần được tăng cường hiệu năng.
Xử lý ảnh y khoa 3 chiều (3D) là một lĩnh vực rộng lớn được mở ra trong
những năm gần đây, hướng tới một bước tiến quan trọng trong việc chăm sóc bệnh
nhân. Cuộc cách mạng cơng nghệ đã giúp tăng cường thêm những tính năng cho các
phương tiện hiển thị hình ảnh y khoa 3D và 4D, bên cạnh đó là các loại máy tính có
khả năng xây dựng, khảo sát trực quan và phân tích dữ liệu ảnh khối y khoa đa
chiều, mở rộng thêm những tính năng mới, mạnh mẽ hỗ trợ cho việc chẩn đoán và
điều trị y khoa. Xử lý hình ảnh 3D địi hỏi một bộ cơng cụ đa dạng để tính tốn, đo
đạc và phân tích định lượng các khối 3D. Xuất phát từ những mơ hình 3D của bệnh
nhân, sau khi đã được tự động nhận dạng và tách ra từ những cấu trúc giải phẫu, sẽ
bổ trợ nhiều trong việc mơ phỏng chẩn đốn và phẫu thuật. Hơn thế nữa, sử dụng
những khả năng tăng cường thực tế, sẽ có thể kết hợp những dữ liệu trước khi kích

1


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

hoạt hoặc đang hoạt động với thực tế tạo ra một công cụ giá trị cho lĩnh vực phẫu
thuật theo hình ảnh hướng dẫn (image-guided surgery).
Những nhiệm vụ cơ bản trong xử lý hình ảnh 3D có thể được phân loại thành
3 phần dựa theo phương thức khảo sát điện toán truyền thống. Mức đầu tiên bao
gồm lưu trữ hình ảnh và phân vùng ảnh cơ bản, tương tự như vấn đề biến dạng ảnh.
Mức xử lý tiếp theo là việc phân vùng ảnh tăng cường, hợp nhất hình ảnh và khảo
sác trực quan ảnh khối. Cuối cùng là việc nhận dạng và tìm hiểu hình ảnh, kết hợp
xử lý hình ảnh vào các loại máy móc hiện đại.

1.2 NHU CẦU
Hiện nay, việc khảo sát ảnh 3 chiều chỉ có thể tiến hành trên những hệ máy
chuyên biệt với những phần mềm tương thích đắt tiền. Nhằm mục tiêu hỗ trợ cho
việc nghiên cứu khoa học trong chương trình nội bộ của trường Bách Khoa và mở
rộng ra ứng dụng thực tiễn cho lĩnh vực y tế tại Việt Nam, luận văn này chú trọng
vào việc thiết lập một phần mềm hiển thị trực quan và xử lý ảnh y khoa 3 chiều, có
thể thực thi trên những máy tính thơng thường và đáp ứng được những nhu cầu thiết
yếu cho mọi đối tượng sử dụng.
Phần mềm được xây dựng trên nền tảng của phần mềm sgDICOM [10] nhằm
tận dụng những ưu điểm về xây dựng và hiển thị ảnh 3 chiều đồng thời phát triển
thêm các giải thuật xử lý hình ảnh kết hợp với ngơn ngữ lập trình Java hoặc C để
cho ra một cơng cụ hồn thiện và hữu dụng.
Nhiều nghiên cứu địi hỏi q trình phân đoạn, xác định số lượng và khảo sát
trực quan những tập dữ liệu ảnh 2 chiều, 3 chiều, vv... Các nhà nghiên cứu phân tích
hình ảnh từ nhiều phương tiện chụp ảnh khác nhau như kính hiển vi, X-quang, CT,
MRI, fMRI, SPECT và PET. Để phân tích một dữ liệu ảnh, người nghiên cứu có thể
sử dụng một vài ứng dụng phần mềm. Nếu mỗi phần mềm chỉ tương thích sử dụng
trong một mơi trường làm việc nào đó thì sẽ gây khó khăn cho người dùng, điều này
không chỉ làm giảm hiệu quả mà cịn làm gia tăng chi phí để nghiên cứu. Chính vì
thế phần mềm được thiết kế trong luận văn sẽ tận dụng ưu thế của ngôn ngữ lập

2


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

trình Java là một ngơn ngữ lập trình biên dịch hướng đối tượng do tập đoàn Sun
Microsystems phát triển với nhiều phiên bản tương thích với những mơi trường làm

việc khác nhau.
Việc khảo sát trực quan các dữ liệu theo 2 hay nhiều chiều là một khía cạnh
quan trọng trong việc phân tích và nghiên cứu dữ liệu ảnh. Khả năng khảo sát
phương chiều, vị trí hay diễn biến (theo thời gian) của các tổ chức trong các dữ liệu
lâm sàng và không lâm sàng là điều cực kỳ cần thiết cho người nghiên cứu. Kính
hiển vi đồng tiêu (confocal microscopy), CT và MRI là những phương tiện hiển thị
hình ảnh gồm những tập dữ liệu ảnh tiết diện cắt ngang liên tiếp nhau có thể kết hợp
lại để cho ra một tập dữ liệu ảnh 3 chiều. Thơng qua các thuật tốn xử lý ảnh đặc
biệt, phần mềm được thiết kế sẽ cho phép người sử dụng xử lý và hiển thị 3 chiều
các tập dữ liệu theo nhiều hình thức khác nhau rất có giá trị và tiện lợi cho nghiên
cứu, khảo sát.
Một hoạt động nghiên cứu cần đề cập đến nữa là định lượng dữ liệu từ các tập
dữ liệu ảnh. Mặc dù qui trình hiển thị trực quan dữ liệu ảnh là quan trọng, việc định
lượng thực tế dữ liệu thường được đòi hỏi để đánh giá giả thuyết của người nghiên
cứu. Người nghiên cứu cũng có thể xác định các vùng quan tâm (ROIs) hoặc/và các
khối quan tâm (VOIs).
Phân đoạn, nhận dạng hình ảnh (segmentation) là qui trình xác định các vùng
được kết nối của các ảnh như những thành phần của một nhóm quen thuộc. Trong
lĩnh vực y khoa, các bác sĩ phải thường xuyên xác định các tổ chức bên trong dữ
liệu ảnh để thuận tiện cho việc điều trị bệnh nhân. Ví dụ, nhiều nhà nghiên cứu
muốn tìm hiểu về não quan tâm đến việc phân đoạn các chất trắng, chất xám và dịch
não tủy trong các ảnh MR. Việc định lượng các thuộc tính quan trọng chẳng hạn
như thể tích, của các loại mơ khác nhau giúp các nhà nghiên cứu hiểu, chẩn đoán,
quan sát và điều trị các bệnh về thần kinh tốt hơn.
Có vô số phương thức phân đoạn dữ liệu ảnh, việc lựa chọn thuật toán phân
đoạn phụ thuộc vào loại dữ liệu ảnh và mục đích phân đoạn. Những phương pháp
phân đoạn tự động được mong đợi bởi vì chúng địi hỏi rất ít sự tương tác từ người

3

Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

sử dụng, thường liên quan đến sai sót và tính chủ quan của người điều khiển. Tuy
nhiên, trong thực tế, các phương thức tự động đơi khi mắc lỗi và địi hỏi sự điều
chỉnh khối quan tâm thủ công. Đây cũng là vấn đề cần quan tâm đến khi thiết kế
phần mềm.
Vì là một phần mềm ứng dụng trong lĩnh vực y khoa, nên bên cạnh việc hỗ trợ
các định dạng ảnh thông thường thì nó sẽ đi sâu vào định dạng tiêu chuẩn DICOM,
đồng thời mở rộng ra ứng dụng cho các định dạng Analyze và RAW.
1.3 NHẬN ĐỊNH VẤN ĐỀ
Xử lý hình ảnh 3D là một khía cạnh rất mới trong lĩnh vực y khoa tại Việt
Nam. Để có thể nắm bắt được những qui trình xử lý ảnh từ phân đoạn, hiển thị trực
quan, cho đến hợp nhất hình ảnh đối với hình ảnh y khoa hồn tồn khơng đơn giản.
Do đó, khi đi sát vào xử lý ảnh y khoa 3D cần chú ý đến những vấn đề liên quan
đến phương tiện chụp ảnh, ảnh 3D và nhu cầu khảo sát ảnh.
Vấn đề về phƣơng tiện chụp ảnh
Mỗi phương tiện chụp ảnh cho ra những ảnh với những đặc tính riêng biệt.
Khi xây dựng phần mềm xử lý ảnh, phải biết rõ tính chất từng loại ảnh ứng với mỗi
loại máy để có thể phân nhóm các loại ảnh và đưa ra phương thức xử lý chung phù
hợp. Sự khác nhau về thông tin cũng như cách thức ghi nhận ảnh của từng phương
tiện sẽ gây ra nhiều phức tạp khi muốn tìm ra cách khảo sát tổng quát.
Vấn đề về ảnh 3D
Về thực chất, rất ít phương tiện cho ra trực tiếp ảnh 3D, hoặc nếu có, thường
chỉ là những dạng ảnh chuỗi hoặc tập hợp ảnh 2D. Vì thế, công đoạn xử lý ảnh 3D
thường là công đoạn tăng cường sau khi đã có được ảnh 3D theo nhu cầu hoặc vừa
được thiết lập ra. Do đó, độ trung thực hay chính xác hơn là tính tự nhiên (thô) của
ảnh 3D chỉ nằm trong một mức độ cho phép nào đó khi cần xử lý ảnh. Cộng với sự

4


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

khác nhau về qui trình thu được ảnh 3D, đây rõ ràng là một vấn đề khơng dễ giải
quyết khi muốn đạt sự chính xác trong thao tác với ảnh khối 3 chiều.
Vấn đề về nhu cầu
Với tốc độ phát triển cao của công nghệ hiện đại, các loại máy móc ngày nay
cho ra những sản phẩm với độ tin cậy rất lớn, có thể nói đủ để đáp ứng nhiều nhu
cầu từ phía người sử dụng mà trước đây không thể thực hiện được. Chính vì thế, các
loại hình ảnh y khoa 2 chiều cũng ngày càng đặc sắc hơn và chất lượng hơn, đảm
bảo được nhiều yêu cầu từ phía các y, bác sĩ sử dụng. Vì thế các vấn đề về xử lý ảnh
3D là những vấn đề thuộc về nhu cầu chuyên biệt cao, đặt ra một thách thức lớn đối
với người thiết kế sao cho phù hợp với mục đích ứng dụng.
Nếu muốn xử lý tốt các ảnh 3D thì địi hỏi phải nắm bắt được những vấn đề
trên thật tốt để cho ra qui trình xử lý ở mức độ chấp nhận được, từ đó mới có thể
khai thác được những ích lợi từ các phương thức khảo sát ảnh trong không gian vật
thể 3 chiều.
1.4 MỤC TIÊU LUẬN VĂN
Theo những nhận định phân tích trên, mục tiêu đề ra của luận văn là : khảo sát
chi tiết những vấn đề liên quan đến ảnh 3D, đặc biệt là ảnh 3D trong y khoa cùng
với các cách thức tạo, thu nhận và xử lý ảnh 3D, trên cơ sở đó xây dựng một phần
mềm xử lý ảnh 3D bằng Java, thử nghiệm và đánh giá kết quả.
Với mục tiêu trên, nhiệm vụ của luận văn bao gồm :
1) Khảo sát chung các vấn đề về 3D cho hình ảnh trong y khoa.
2) Khảo sát chi tiết các qui trình xử lý ảnh 3D và các giải thuật kèm theo.

3) Xác định những phương thức xử lý 3D khả thi, kết hợp với những phương
thức lập trình mới trong Java để xây dựng một phần mềm xử lý ảnh 3D
tổng quát.
4) Xây dựng chương trình thử nghiệm và đánh giá qua các dữ liệu khảo sát.
5) Xác định những hướng mở rộng cho phần mềm.

5


Luận Văn Thạc Sĩ

CHƢƠNG 2 :

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

NỀN TẢNG NGHIÊN CỨU

2.1 LÝ THUYẾT VỀ HÌNH ẢNH Y KHOA
2.1.1. Ảnh DICOM
Tiêu chuẩn DICOM (Hiển thị hình ảnh số và giao tiếp trong y khoa) được
lập ra bởi Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia (NEMA). Mục đích của tiêu
chuẩn này là nằm hỗ trợ cho sự phân phối và khảo sát các hình ảnh y khoa từ
CT, MRI và những phương tiện y khoa khác. Định dạng DICOM là một phần
mở rộng của chuẩn NEMA cũ.
Tập tin DICOM bao gồm một tiêu đề và dữ liệu hình ảnh. Phần tiêu đề
chứa những thông tin về tên bệnh nhân, hình thức chụp cắp lớp, vị trí và
phương chiều của hình ảnh và nhiều dữ liệu khác. Phần dữ liệu hình ảnh chứa
tất cả thơng tin về hình ảnh.
DICOM khác với các định dạng dữ liệu khác ở chỗ nó nhóm các thơng tin
vào trong những tập dữ liệu. Điều này có nghĩa rằng một ảnh DICOM, ví dụ

như một tập tin ảnh X-quang lồng ngực, thực sự chứa mã ID bệnh nhân bên
trong, vì vậy nhờ vào thơng tin này ảnh sẽ không bao giờ bị thất lạc do nhầm
lẫn.
Một đối tượng dữ liệu DICOM chứa nhiều thuộc tính, bao gồm các mục
như tên bệnh nhân, mã ID, vv... và cũng có một đặc tính đặc biệt chứa dữ liệu
điểm ảnh. Một đối tượng DICOM đơn lẻ có thể chỉ chứa một thuộc tính dữ
liệu điểm ảnh. Đối với nhiều phương tiện hiển thị ảnh, điều này tương tự như
một ảnh đơn lẻ. Nhưng lưu ý rằng, thuộc tính có thể chứa nhiều khung, cho
phép lưu giữ các đoạn phim hoặc những dữ liệu đa khung khác. Một ví dụ
khác là dữ liệu y học hạt nhận (Nuclear Medicine – NM), với ảnh NM được
xác định là một ảnh đa khung đa chiều. Trong những trường hợp này, dữ liệu
3 hay 4 chiều có thể được thu gọn trong một đối tượng DICOM đơn lẻ. Dữ
liệu điểm ảnh có thể được nén theo nhiều chuẩn khác nhau bao gồm JPEG,
JPEG Lossless, JPEG 2000 và RLE.

6


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

Một số phương tiện hiển thị hình ảnh hỗ trợ DICOM bao gồm :
X-quang điện toán
Chụp cắt lớp điện toán
X-quang kỹ thuật số
Siêu âm tim ký
Nội soi
Chụp mạch huỳnh quang
Soi đáy mắt

Chụp nhũ ảnh
Cộng hưởng từ
Quang phổ cộng hưởng từ
Y học hạt nhân
Chụp cắt lớp phát xạ positron
Phóng xạ vơ tuyến
Chụp nhiệt
Siêu âm
Chụp mạch X-quang
Điện tâm đồ
2.1.2. Đại lƣợng ảnh 3 chiều
 Voxels
Voxel là một yếu tố thể tích, tượng trưng cho một giá trị trên một lưới đều
trong khơng gian 3 chiều. Nó tương tự như một điểm ảnh (pixel), tượng trưng
cho dữ liệu ảnh 2 chiều. Voxel thường được sử dụng trong hiển thị trực quan
và phân tích dữ liệu y khoa và khoa học. Một vài phép hiển thị thể tích sử
dụng voxel để diễn đạt độ phân giải. Chẳng hạn như, một màn hình có thể biểu
diễn được 512x512x512 voxels.

7


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

Hình 2.1 : Voxel - đơn vị biểu diễn thể tích
Tương tự như pixels, voxels thơng thường khơng chứa thơng tin vị trí của
chúng trong không gian (các tọa độ của chúng), hay đúng hơn là nó được lấy
ra dựa trên vị trí của chúng có liên quan đến những voxels khác (tức là vị trí

của chúng trong cấu trúc dữ liệu làm nên một ảnh khối đơn).
Voxel tượng trưng cho một hộp khối nhỏ có giá trị khơng đổi bằng với giá
trị của lưới tương ứng trong dữ liệu khối. Các biên của một voxel nằm chính
xác ở khoảng giữa của các lưới liền nhau. Dữ liệu voxel có một độ phân giải
hạn chế, tức là dữ liệu đúng chỉ có giá trị ở trung tâm của mỗi ô. Theo giả định
rằng dữ liệu voxel đang lấy mẫu một tín hiệu giới hạn băng phù hợp, việc tái
thiết lập chính xác các điểm dữ liệu giữa các voxel được lấy mẫu có thể thực
hiện bằng các lọc thông thấp tập dữ liệu. Những giá trị gần đúng có thể chấp
nhận được cho bộ lọc thông thấp này thu được bằng phép nội suy đa thức
chẳng hạn như nội suy tuyến tính theo 3 đường (tri-linear) hoặc nội suy 3 khối
lập phương (tri-cubic).
Giá trị của một voxel có thể biểu diễn cho những đặc tính khác nhau.
Trong CT, các giá trị là đơn vị Hounsfield, biểu hiện độ chắn vật liệu đối với
tia X. Những loại giá trị khác thu được từ MRI hay siêu âm.
Voxels có thể chứa nhiều giá trị thang đo. Trong trường hợp ảnh siêu âm
cắt lớp ở dữ liệu B-mode và Doppler, mật độ và tốc độ dòng thể tích được lưu
giữ trong nhưng kênh dữ liệu riêng đối với cùng vị trí voxel.
8


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

Những giá trị khác có thể hữu ích cho việc biểu diễn 3 chiều tức thời,
chẳng hạn như một vectơ tiêu chuẩn bề mặt và màu sắc.
 Texel
Texel, hay yếu tố chất liệu (điểm chất liệu) là đơn vị cơ bản trong không
gian chất liệu, sử dụng trong đồ họa máy tính. Các chất liệu được biểu diễn
bằng các dãy texels, tương tự như những hình ảnh được biểu diễn bởi những

dãy điểm ảnh.
Khi tạo chất liệu một bề mặt 3D, một qui trình được biết đến theo tên gọi
thiết lập chất liệu (texture mapping), các texel biểu diễn tương ứng với các
điểm ảnh trong hình ảnh thu được. Trong các máy tính hiện đại, qui trình này
được thực hiện trên card đồ họa.
Khi gọi một texel không nằm trên một tọa độ nguyên, cần thực hiện việc
lọc chất liệu. Khi gọi một texel bên ngoài chất liệu, sử dụng kết hợp hai kỹ
thuật. Qui trình ghim (clamping) giới hạn texel trong kích thước vật liệu, thu
nó đến mức gần nhất nếu nó lớn hơn kích thước chất liệu. Qui trình cuộn
(wrapping) kéo texel trở vào trong kết cấu bằng các gia số.
2.2 NHỮNG PHƢƠNG TIỆN TẠO ẢNH Y KHOA
 Kính hiển vi
Được sử dụng trong khoa bệnh lý học giải phẫu để xác định những hạt cơ
quan bên trong tế bào. Tuy độ hữu dụng bị giảm đi nhiều trong hóa mơ miễn
dịch nhưng đây vẫn là một ứng dụng không thể thay thế được trong chẩn đoán
những bệnh lý của thận, xác định hội chứng thể mi không vận động và nhiều
vấn đề khác.
 X-quang
Hai dạng ảnh X-quang được sử dụng trong hiển thị hình ảnh y khoa là Xquang chiếu và X-quang huỳnh quang. Những kỹ thuật 2 chiều này vẫn được
ứng dụng rộng rãi thay cho hình thức chụp cắt lớp 3 chiều bởi giá thành thấp,
độ phân giải cao và tùy thuộc vào hình thức sử dụng mà liều chiếu xạ thấp

9


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

hơn. Phương thức hiển thị hình ảnh này sử dụng một chùm tia X rộng để tạo

ảnh và là kỹ thuật hiển thị ảnh đầu tiên có giá trị trong y học hiện đại.
 MRI
Hiển thị hình ảnh cộng hưởng từ sử dụng các sóng tần số vơ tuyến và từ
trường để biểu diễn những mặt cắt từ 3 chiều của các cấu trúc giải phẫu, dựa
trên nguyên lý của cộng hưởng từ hạt nhân. Khi một vật thể được đặt trong
một từ trường tĩnh, cường độ mạnh, các hạt nhân nguyên tử hidro bị từ trường
hóa và sắp xếp lại dọc theo từ trường. Trong quá trình sắp xếp, nếu các hạt
nhân đã bị từ trường hóa rơi vào từ trường biến thiên có phương vng góc
với trường tĩnh, chúng sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái kích
thích. Sự chuyển động của các hạt nhân này từ trạng thái cân bằng sang trạng
thái kích thích và lại quay về trạng thái cân bằng tạo nên một tín hiệu, và từ tín
hiệu này có thể dùng thuật tốn để tạo nên hình ảnh.
 Y học hạt nhân
Về tổng thể, y học hạt nhân bao gồm cả việc chẩn đoán và điều trị bệnh sử
dụng những đặc tính của hạt nhân. Trong hiển thị hình ảnh, các photon năng
lượng phát ra từ các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để làm nổi bật và khảo
sát những bệnh lý khác nhau.
Máy chụp gamma được sử dụng trong y học hạt nhân để xác định những
vùng hoạt động sinh học thường gắn liền với các bệnh lý. Một chất đồng vị
phóng xạ có thời gian sống ngắn được đưa vào bệnh nhân. Các đồng vị này
được hấp thụ nhanh hơn bởi các vùng hoạt động sinh học của cơ thể, chẳng
hạn như các khối u và những điểm rạn nứt trên xương.
Chụp cắt lớp phát xạ positron dựa trên hoạt tính của hạt nhân phóng xạ
(hợp chất thừa protons). PET lấy nguyên lý đo độ phân rã của hạt nhân phóng
xạ để ghi nhận hoạt động trao đổi chất thông qua việc khảo sát sự tồn tại và số
lượng các phản ứng phân hủy positron tạo nên từ q trình tích lũy các chất
đánh dấu phóng xạ trong các vùng khác nhau của cơ thể.

10

Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

SPECT tương tự PET ở chỗ tận dụng các hạt nhân phóng xạ phát positron
bên trong vật thể. Theo tên gọi của phương thức này, chất phóng xạ được sử
dụng trong SPECT phát ra một photon tia gamma đơn được ghi nhận lại qua
các gamma camera. Khơng giống như PET, SPECT địi hỏi phải điều chỉnh
các tia gamma phát ra bởi hợp chất phóng xạ. Hệ thống thu nhận bao gồm một
ma trận dày đặc các kênh điều chỉnh bao quanh vùng cần khảo sát. Các tia
gamma chạy dọc theo hướng trùng với một kênh sẽ xuyên qua được bộ phận
điều chỉnh mà không bị hấp thụ rồi tương tác với tinh thể ion Na+ bên trong
gamma camera, tạo nên ánh sáng. Đằng sau tinh thể, một lưới các ống nhân
quang sẽ thu thập ánh sáng để xử lý và tạo ảnh.
 Hiển thị hình ảnh âm quang trong lĩnh vực y sinh
Hiển thị hình ảnh âm quang là một phương thức hiển thị hình ảnh y sinh
học kết hợp được phát triển gần đây dựa trên nền tảng của hiệu ứng âm quang.
Chiếu chùm tia laser xung ngắn lên mơi trường, q trình hấp thụ nhiệt địa
phương chuyển thành quá trình khuếch tán nhanh tạo nên dao động siêu âm,
có thể thu nhận được bằng các đầu dị siêu âm đặc trưng. Nó kết hợp những ưu
điểm của việc hấp thu quang tương phản với độ phân giải khơng gian của sóng
siêu âm để hiển thị ảnh sắc sảo trong trạng thái khuếch tán hoặc gần như
khuếch tán (quang học). Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng hiển thị
hình ảnh âm quang có thể sử dụng trong cơ thể để khảo sát quá trình hình
thành mạch máu của khối u, phác họa q trình oxy hóa máu, hiển thị hình ảnh
não bộ chức năng và rà soát những khối u melamin trong da, vv...
 Chụp cắt lớp
Cắt lớp tuyến tính : Là dạng cơ bản nhất trong kỹ thuật chụp cắt lớp. Ống
phát tia X di chuyển từ điểm A đến điểm B trên bệnh nhân, trong khi khay giữ

cassette chuyển động đồng thời bên dưới bệnh nhân từ điểm B đến điểm A.
Đa lớp cắt : là một hình thức chụp cắt lớp phức tạp. Theo kỹ thuật này,
một số lượng đáng kể những chuyển động hình học được lên chương trình
trước khi chụp, chẳng hạn như quỹ đạo hypocycloid, quỹ đạo tròn.

11


Luận Văn Thạc Sĩ

Trường ĐHBK Tp.HCM 2009

Chụp ảnh cắt lớp điện toán được xây dựng dựa trên nguyên lý của Xquang cổ điển. Trong khi tiến hành quét CT, thiết bị phát tia X được đặt trên
một giá có thể xoay xung quanh vật thể. Các đầu dò tia X được đặt trên phía
đối diện giá đỡ của bộ phận phát. Khi thiết bị này xoay một vòng xung quanh
vật thể, một chùm tia X dạng quạt được truyền qua cơ thể ở các góc khác nhau
và các tín hiệu suy giảm được ghi nhận. Các điểm quan sát này được kết hợp
lại thơng qua thuật tốn để tạo ra một lớp cắt ảnh trên bề mặt chứa chùm tia X
và đầu dị. Mỗi lớp cắt chứa mật độ mơ đã được tính tốn tại mỗi điểm bên
trong vùng hiển thị.
 Siêu âm
Siêu âm y khoa sử dụng những sóng âm băng thông rộng tần số cao trong
tầm MHz phản xạ từ mơ theo những góc khác nhau để tạo ảnh (mở rộng ra
ảnh 3 chiều). Thường được ứng dụng hiển thị hình ảnh thai nhi trong phụ nữ
mang thai. Nhìn chung, những ứng dụng từ siêu âm là rất rộng, bao gồm việc
hiển thị hình ảnh những cơ quan vùng bụng, tim, ngực, cơ, dây chằng, động
mạch và tĩnh mạch. Tuy cung cấp những ít chi tiết giải phẫu hơn nhưng kỹ
thuật như CT hay MRI, nhưng siêu âm có một số ưu điểm lý tưởng cho nhiều
trường hợp ứng dụng, đặc biệt là khía cạnh nghiên cứu chức năng của các cấu
trúc chuyển động theo thời gian thực, khơng có phát xạ ion hóa, và chứa

những đốm ảnh có thể sử dụng trong kỹ thuật tạo ảnh đàn hồi (ứng dụng trong
phát hiện và phân loại các khối u). Đây là một kỹ thuật rất an tồn, khơng gây
hiệu ứng phụ, không đắt tiền và tiện sử dụng.
2.3 MỘT SỐ CÔNG CỤ VÀ PHẦN MỀM ẢNH Y KHOA
2.3.1. ImageJ
ImageJ [11] là một chương trình xử lý hình ảnh nền Java miền chung được
phát triển tại Học Viện Y tế quốc gia (NIH). ImageJ có thể chạy như một ứng
dụng trực tuyến hoặc như một ứng dụng tải xuống sử dụng trên bất kỳ máy
tính có Java 1.4 hoặc những phiên bản mới hơn. Hiện nay, chương trình có thể

12