Nghiên cứu một số kỹ thuật thị giác máy trong hỗ trợ chẩn đoán bệnh giãn phế quản trên dữ liệu ảnh x quang thường quy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

PHẠM THỊ CHI

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT THỊ GIÁC MÁY
TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN
TRÊN DỮ LIỆU ẢNH X-QUANG THƯỜNG QUY

Chuyên ngành

: Khoa học máy tính

Mã số

: 8 48 01 01

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. LÊ THỊ KIM NGA


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề tài là trung
thực, các kết quả nghiên cứu đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Quy Nhơn
dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Thị Kim Nga, các tài liệu tham khảo đã đƣợc
trích dẫn đầy đủ, rõ ràng.
Học viên

Phạm Thị Chi


LỜI CẢM ƠN

Trƣớc hết em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều
kiện của trƣờng Đại học Quy Nhơn cũng nhƣ khoa Công nghệ thông tin đã
tạo điều kiện để em hoàn thành bài luận văn của mình.
Đặc biệt em xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới cô giáo
hƣớng dẫn TS. Lê Thị Kim Nga đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi
điều kiện thuận lợi giúp em trong q trình hồn thiện.
Mặc dù đã cố gắng hết sức cùng sự tận tâm của cô giáo hƣớng dẫn
xong do trình độ cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót trong
q trình tiếp nhận kiến thức. Em rất mong đƣợc sự chỉ dẫn của quý thầy cơ
để bài luận văn đƣợc hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

Học viên

Phạm Thị Chi


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU -------------------------------------------------------------------------------1
1. Lý do chọn đề tài -----------------------------------------------------------------1
2. Tổng quan tài liệu nghiên cứu đề tài -------------------------------------------3
3. Mục tiêu nghiên cứu -------------------------------------------------------------3
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ---------------------------------------------4
5. Phƣơng pháp nghiên cứu --------------------------------------------------------4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH Y TẾ VÀ VẤN ĐỀ CHẨN
ĐOÁN BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN --------------------------------------------------5

1.1. XỬ LÝ ẢNH Y TẾ ------------------------------------------------------------5
1.1.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh --------------------------------------------5
1.1.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh -----------------------------------------------5
1.1.1.2. Giới thiệu về xử lý ảnh y tế ------------------------------------------8
1.1.2. Chuẩn dữ liệu ảnh y tế -------------------------------------------------- 10
1.1.3. Một số vấn đề trong xử lý ảnh y tế ------------------------------------ 12
1.1.3.1. Các khái niệm cơ bản ----------------------------------------------- 12
1.1.3.2. Biến đổi ảnh --------------------------------------------------------- 14
1.1.3.3. Phân tích ảnh -------------------------------------------------------- 14
1.1.3.4. Nhận dạng ảnh ------------------------------------------------------- 14
1.1.3.5. Nén ảnh --------------------------------------------------------------- 15
1.2. BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN -------------------------------------------------- 15
1.2.1. Quy trình phát hiện và xử lý trong thực tế---------------------------- 15


1.2.2. Các dấu hiệu trên ảnh X-Quang thƣờng quy ------------------------- 17
1.3. MƠ HÌNH XỬ LÝ ẢNH X-QUANG THƢỜNG QUY PHỤC VỤ
CHẨN ĐOÁN BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN------------------------------------- 18
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 --------------------------------------------------- 20
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN
BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN --------------------------------------------------------- 21
2.1. TĂNG CƢỜNG CHẤT LƢỢNG ẢNH Y TẾ --------------------------- 21
2.1.1. Tăng giảm độ sáng ------------------------------------------------------ 21
2.1.2. Thay đổi độ tƣơng phản------------------------------------------------- 21
2.1.3. Tách ngƣỡng ------------------------------------------------------------- 21
2.1.4. Bó cụm -------------------------------------------------------------------- 22
2.1.5. Cân bằng histogram ----------------------------------------------------- 22
2.2. MỘT SỐ KỸ THUẬT LỌC ------------------------------------------------ 23
2.2.1. Kỹ thuật lọc trung bình ------------------------------------------------- 23
2.2.2. Kỹ thuật lọc trung vị ---------------------------------------------------- 25

2.2.3. Lọc trung bình theo giá trị k gần nhất --------------------------------- 26
2.2.4. Lọc thông thấp ----------------------------------------------------------- 27
2.2.5. Lọc thông cao ------------------------------------------------------------ 28
2.3. PHÂN ĐOẠN ẢNH TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ ------------------------- 29
2.3.1. Phân đoạn ảnh dựa vào biên -------------------------------------------- 29
2.3.1.1. Giới thiệu------------------------------------------------------------- 29
2.3.1.2. Phát hiện biên -------------------------------------------------------- 30
2.3.1.3. Làm mảnh biên ------------------------------------------------------ 36
2.3.1.4. Nhị phân hóa đƣờng biên ------------------------------------------ 37
2.3.1.5. Mơ tả biên ------------------------------------------------------------ 37
2.3.2. Phân đoạn ảnh dựa vào ngƣỡng ---------------------------------------- 39
2.3.2.1. Giới thiệu------------------------------------------------------------- 39
2.3.2.2. Chọn ngƣỡng cố định ----------------------------------------------- 40


2.3.2.3. Chọn ngƣỡng dựa trên lƣợc đồ (Histogram) --------------------- 41
2.3.3. Phân đoạn dựa trên cơ sở vùng ---------------------------------------- 44
2.3.3.1. Giới thiệu------------------------------------------------------------- 44
2.3.3.2. Cộng thức cơ bản---------------------------------------------------- 44
2.3.3.3. Tăng vùng ------------------------------------------------------------ 45
2.3.3.4. Chia và chọn vùng -------------------------------------------------- 46
2.3.4. Phân đoạn theo miền đồng nhất ---------------------------------------- 47
2.3.4.1. Giới thiệu------------------------------------------------------------- 47
2.3.4.2. Phƣơng pháp tách cây tứ phân------------------------------------- 48
2.3.4.3. Phƣơng pháp phân vùng hợp -------------------------------------- 50
2.3.4.4. Phƣơng pháp tách hợp ---------------------------------------------- 51
2.3.5. Phân đoạn ảnh dựa vào đồ thị ------------------------------------------ 52
2.3.5.1. Giới thiệu------------------------------------------------------------- 52
2.3.5.2. Phân đoạn dựa vào đồ thị ------------------------------------------ 53
2.3.5.3. Tính chất của so sánh cặp miền ----------------------------------- 53

2.3.5.4. Thuật toán và các tính chất ---------------------------------------- 55
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 --------------------------------------------------- 56
CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM ------------------------------------ 58
3.1. GIỚI THIỆU ------------------------------------------------------------------ 58
3.2. PHÂN TÍCH BÀI TỐN --------------------------------------------------- 58
3.3. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ----------------------- 59
3.4. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ--------------------------------------------------- 65
3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 --------------------------------------------------- 65
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ------------------------------------- 67
1. NHỮNG KẾT QUẢ MÀ LUẬN VĂN ĐÃ ĐẠT ĐƢỢC ---------------- 67
2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO --------------------------------------- 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ---------------------------------------------------------- 68


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Tên viết tắt

Tên tiếng anh

1

DICOM

2

PACS

Picture Archiving and Communication Systems

3

ACR

The American College of Radiology

4

EMA

The National Electrical Manufacturers Association

5

MRI

Magnetic Resonance Imagin

6

CT

7

TCP/IP

8

SPI

9

MUSICA

Digital Imaging and Communications in Medicine

Computed Tomography
Transmission Control Protocol/Internet Protocol
Standard Procduct Interconnect
Multiscale image contrast amplification


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Các giai đoạn chính của xử lý ảnh .................................................... 6
Hình 1.2. Bệnh giãn phế quản ........................................................................ 15
Hình 1.3. Quá trình thu nhận ảnh X-Quang ................................................... 20
Hình 2.1. Hình minh họa kỹ thuật bó cụm ..................................................... 22
Hình 2.2. Mơ tả thuật tốn lọc trung bình ...................................................... 24
Hình 2.3. Mơ tả thuật tốn lọc trung vị .......................................................... 25
Hình 2.4. Mơ hình lọc thơng cao .................................................................... 28
Hình 2.5. Các dạng đƣờng biên thơng dụng ................................................... 29
Hình 2.6. Quy trình phát hiện biên ................................................................. 31
Hình 2.7. Minh họa thuật tốn đối xứng nền .................................................. 42
Hình 2.8. Minh hoạ thuật tốn tam giác ......................................................... 43
Hình 2.9. Bimodal histogram ......................................................................... 44
Hình 2.10. Phƣơng pháp tách cây tứ phân...................................................... 50
Hình 3.1. Giao diện chính của chƣơng trình .................................................. 60
Hình 3.2. Tăng độ tƣơng phản ........................................................................ 61
Hình 3.3. Cân bằng histogram ........................................................................ 62

Hình 3.4. Phát hiện biên Sobel ....................................................................... 63
Hình 3.5. Phân đoạn dựa trên ngƣỡng ............................................................ 64


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, xử lý ảnh, đồ họa máy tính, thị giác máy và học máy đang rất
phát triển đã đƣợc ứng dụng vào hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống xã hội,
đặc biệt trong lĩnh vực y tế. Một trong những kênh thông tin quan trọng hỗ trợ
chẩn đoán và điều trị bệnh đó chính là dựa vào hình ảnh dạng chuẩn DICOM
đƣợc chụp từ các máy X-Quang, CT, MRI,… Để tiến đến việc hỗ trợ chẩn
đoán và điều trị bệnh dựa trên hình ảnh y khoa dạng chuẩn DICOM thì cần
thiết phải xây dựng các thuật toán phân vùng ảnh, phát hiện, nhận dạng tự
động các vùng của cơ thể phù hợp và chính xác nhằm có thể phát hiện những
bất thƣờng trên các bộ phận của cơ thể. Phát hiện và nhận dạng chính xác
vùng ảnh của từng vùng bệnh có thể giúp tính tốn và đánh giá chính xác
bệnh lý cũng nhƣ khả năng hoạt động của bộ phận đó trong những trƣờng hợp
bị tổn thƣơng.
Hiện nay có nhiều kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh hiện đại nhƣ chụp CT,
MRI, chụp xạ hình. Các kỹ thuật này giúp cho việc chẩn đốn bệnh nhanh
chóng và chính xác. Tuy nhiên giá thành đắt và khơng có điều kiện thực hiện
đại trà. Kỹ thuật X-Quang thƣờng quy vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc
xác định chẩn đoán ban đầu của bệnh, nhiều trƣờng hợp X-Quang thƣờng quy
có khả năng khẳng định chẩn đốn cuối cùng của bệnh, trong đó xác định các
bệnh về phổi chiếm một tỉ lệ khá cao.
Giãn phế quản là bệnh giãn thƣờng xuyên không hồi phục của một hay
nhiều phế quản từ cấp 3 đến cấp 8 kèm theo phá huỷ cấu trúc thành phế quản.
Các phế quản giãn thành ổ không hồi phục, thƣờng kèm theo nhiễm khuẩn

mãn tính và kết hợp với những bệnh khác. Giãn phế quản có thể bẩm sinh, di
truyền hoặc mắc phải. Giãn phế quản có thể thành ổ và giới hạn ở một phần


2
hoặc một thuỳ của phổi, hoặc có thể giãn lan rộng đến nhiều thuỳ ở một hoặc
cả hai bên phổi.
Chẩn đoán và tiên đoán điều trị bệnh lý giãn phế quản chủ yếu dựa vào
hình ảnh X-Quang thƣờng quy, một số trƣờng hợp đặc biệt có thể dựa thêm
hình ảnh y khoa CT. Tuy nhiên việc nghiên cứu và đọc cũng nhƣ tiên đốn
vẫn thủ cơng, mất nhiều thời gian và khó tham chiếu những trƣờng hợp về
bệnh lý giãn phế quản khác cũng nhƣ khó tra cứu lịch sử bệnh của ngƣời
bệnh. Hình bên dƣới cho thấy nhiều trƣờng hợp của bệnh giãn phế quản trên
ảnh X-Quang:

Bệnh giãn phế quản


3
Nghiên cứu bài toán quan trọng trong y tế này, hiện nay trên thế giới đã
có nhiều nƣớc nghiên cứu và có kết quả áp dụng thực tế nhƣng chỉ đƣợc trên
mơ hình ngƣời bệnh của những Quốc gia đó vì bệnh tật xảy ra do mơi trƣờng
cuộc sống con ngƣời của mỗi Quốc gia và việc áp dụng mô hình đó cho ngƣời
bệnh trên Quốc gia khác thì cho kết quả sẽ khơng chính xác.
Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng CNTT
trong y tế là vấn đề thiết yếu, nhằm nâng cao chất lƣợng khám chữa bệnh cho
nhân dân một cách hiệu quả và nhanh chóng.
Từ những lý do ở trên, tơi chọn đề tài “NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ
THUẬT THỊ GIÁC MÁY TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH
GIÃN PHẾ QUẢN TRÊN DỮ LIỆU ẢNH X-QUANG THƢỜNG QUY”.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng, cụ
thể nhƣ sau:
Chương 1: Tổng quan về xử lý ảnh y tế và vấn đề chẩn đoán bệnh giãn
phế quản.
Chương 2: Một số kỹ thuật xử lý ảnh phục vụ chẩn đoán bệnh giãn phế quản.
Chương 3: Cài đặt và thực nghiệm.
2. Tổng quan tài liệu nghiên cứu đề tài
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Tài liệu về xử lý ảnh, xử lý ảnh y tế;
- Tài liệu về bệnh giãn phế quản;
- Tài liệu về ngôn ngữ lập trình.
Thơng qua việc nghiên cứu các tài liệu, có thể tìm thấy các phƣơng pháp
phù hợp, để áp dụng vào một bài toán chẩn đoán bệnh giãn phế quản trên dữ
liệu ảnh X-Quang thƣờng quy.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu và nghiên cứu một số kỹ thuật thị giác máy trong hỗ trợ chẩn


4
đoán bệnh giãn phế quản trên dữ liệu ảnh X-Quang thƣờng quy. Áp dụng kỹ
thuật thị giác máy trong hỗ trợ chẩn đoán bệnh giãn phế quản dựa vào dữ liệu
ảnh X-Quang và đánh giá thử nghiệm.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu
Một số kỹ thuật thị giác máy trong hỗ trợ chẩn đoán bệnh giãn phế quản.
* Phạm vi nghiên cứu
Dữ liệu ảnh X-Quang thƣờng quy.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài đƣợc lựa chọn là lý thuyết kết hợp
với thực nghiệm. Các vấn đề cần giải quyết liên quan đến các thuật tốn và lý

thuyết truyền thơng mạng, xử lý ảnh, thị giác máy và đồ họa máy tính đƣợc
thực hiện trên phần mềm máy tính với đầu vào là các thông tin thu nhận đƣợc
từ thực tế. Quá trình đƣợc tiến hành dựa trên việc tìm hiểu tài liệu, cài đặt thử
nghiệm sau đó đánh giá kết quả thực nghiệm và cải tiến nhằm nâng cao chất
lƣợng hệ thống.
Nhƣ vậy, cần tiến hành tìm hiểu lý thuyết về một số kỹ thuật xử lý ảnh y
tế đặc biệt liên quan đến hiện trạng phế quản nhằm phục vụ hỗ trợ chẩn đốn
bệnh giãn phế quản. Tìm hiểu kỹ thuật về mặt lý thuyết sẽ đƣợc kết hợp với
việc cài đặt thực nghiệm trên dữ liệu X-Quang thƣờng quy để kiểm chứng và
đánh giá những nội dung lý tìm hiểu lý thuyết và từ đó cải tiến và hồn thiện
chƣơng trình.


5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH Y TẾ VÀ VẤN ĐỀ
CHẨN ĐOÁN BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN
1.1. XỬ LÝ ẢNH Y TẾ
1.1.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh
1.1.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh
Trong xã hội loài ngƣời, quá trình giao tiếp con ngƣời sử dụng nhiều
phƣơng tiện để trao đổi trong đó ngơn ngữ là một phƣơng tiện trao đổi thơng
tin phổ biến. Bên cạnh đó, hình ảnh cũng là một cách trao đổi thơng tin mang
tính chính xác mà khơng bị cảm giác chủ quan của đối tƣợng giao tiếp chi
phối. Thơng tin trên hình ảnh rất phong phú đa dạng và có thể xử lý bằng máy
tính. Chính vì vậy, trong những năm gần đây việc xử lý thơng tin bằng hình
ảnh đƣợc chú ý đến nhiều và trở thành một ngành khoa học có mặt nhiều
trong các lĩnh vực của cuộc sống.
Xử lý ảnh là đối tƣợng nghiên cứu của lĩnh vực thị giác máy. Xử lý ảnh
là quá trình biến đổi từ một ảnh ban đầu sang một ảnh mới với các đặc tính và
tuân theo ý muốn của ngƣời sử dụng. Xử lý ảnh gồm q trình phân tích, phân

lớp các đối tƣợng, làm tăng chất lƣợng, phân đoạn và tách cạnh, gán nhãn cho
vùng hay q trình biên dịch các thơng tin hình ảnh của ảnh.
Xử lý ảnh số là một lĩnh vực của tin học ứng dụng. Xử lý dữ liệu bằng
đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này đƣợc xem xét nhƣ là một
cấu trúc dữ liệu và đƣợc tạo bởi các chƣơng trình. Xử lý ảnh số bao gồm các
phƣơng pháp và kỹ thuật biến đổi, để truyền tải hoặc mã hoá các ảnh tự nhiên.
Mục đích của xử lý ảnh gồm:
- Biến đổi ảnh làm tăng chất lƣợng ảnh.
- Tự động nhận dạng ảnh, đoán nhận ảnh, đánh giá các nội dung của ảnh.
Nhận biết và đánh giá các nội dung của ảnh là sự phân tích một hình ảnh
thành những phần có ý nghĩa để phân biệt đối tƣợng này với đối tƣợng khác,


6
dựa vào đó ta có thể mơ tả cấu trúc của hình ảnh ban đầu. Có thể liệt kê một
số phƣơng pháp nhận dạng cơ bản nhƣ nhận dạng ảnh của các đối tƣợng trên
ảnh, tách cạnh, phân đoạn hình ảnh,…
Kỹ thuật này đƣợc dùng nhiều trong y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể),
nhận dạng chữ trong văn bản.
Khơi phục ảnh

Xử lý hình thái

Tăng cƣờng
ảnh

Phân đoạn

Nhận dạng
Thu thập

ảnh

Bài tốn

Biểu diễn và
mơ tả
Xử lý màu ảnh

Nén ảnh

Hình 1.1. Các giai đoạn chính của xử lý ảnh [2] [3]

Thu thập ảnh: Đây là cơng đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với
quá trình xử lý ảnh. Ảnh đầu vào đƣợc thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau
nhƣ máy ảnh, máy quay phim, máy quét, ảnh vệ tinh,… và sau đó các tín hiệu
này sẽ đƣợc số hóa. Mục đích là biến đổi thơng tin hình ảnh về các cấu trúc
đƣợc lƣu trữ trong máy tính, có thể hiển thị ra các thiết bị ngoại vi nhƣ là máy
in, màn hình… Việc lựa chọn các thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc
tính của các đối tƣợng cần xử lý. Các thông số quan trọng ở bƣớc này là độ
phân giải, chất lƣợng màu, dung lƣợng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các
thiết bị.
Tăng cƣờng ảnh: là quá trình sử dụng các kỹ thuật xử lý ảnh để làm ảnh
tốt lên theo mục đích sử dụng nhƣ cải thiện về độ tƣơng phản, khử nhiễu, khử


7
bóng, khử độ lệch,… chuẩn bị cho các bƣớc xử lý phức tạp hơn về sau trong
quá trình xử lý ảnh. Quá trình này thƣờng đƣợc thực hiện bởi các bộ lọc.
Khôi phục ảnh là nhằm loại bỏ các suy giảm trong ảnh.
Phân đoạn ảnh: phân đoạn ảnh là bƣớc then chốt trong xử lý ảnh. Giai

đoạn này phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó dựa
theo biên hay các vùng liên thơng. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên
thơng có thể là cùng màu, cùng mức xám,… Mục đích của phân đoạn ảnh là
để có một miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau cấu tạo lên ảnh thơ.
Vì lƣợng thơng tin chứa trong ảnh rất lớn, trong khi đa số các ứng dụng chúng
ta chỉ cần trích một vài đặc trƣng nào đó, do vậy cần có một q trình để giảm
lƣợng thơng tin khổng lồ đó. Q trình này bao gồm phân vùng ảnh và trích
chọn đặc tính chủ yếu.
Kết quả của bƣớc phân đoạn ảnh thƣờng đƣợc cho dƣới dạng dữ liệu
điểm ảnh thơ, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả
các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó. Trong cả hai trƣờng 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 dƣới dạng biên hay dƣới 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
trƣng hình dạng bên ngồi của đối tƣợng, ví dụ nhƣ các góc cạnh và điểm uốn
trên biên chẳng hạn. Biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho những ứng dụng
khai thác các tính chất bên trong của đối tƣợng, ví dụ nhƣ vân ảnh hoặc cấu
trúc xƣơng 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 thơ sang một dạng
thích hợp hơn cho các xử lý về sau. Chúng ta còn phải đƣa ra một phƣơng
pháp mô tả dữ liệu đã đƣợc chuyển đổi đó sao cho những tính chất cần quan


8
tâm đến sẽ đƣợc làm nổi bật lên, thuận tiện cho việc xử lý chúng.
Nhận dạng và giải thích: Đây là bƣớc cuối cùng trong quá trình xử lý
ảnh. Nhận dạng ảnh có thể đƣợc nhìn nhận một cách đơn giản là việc gán
nhãn cho các đối tƣợng trong ảnh. Ví dụ đối với nhận dạng chữ viết, các đối

tƣợng trong ảnh cần nhận dạng là các mẫu chữ, ta cần tách riêng các mẫu chữ
đó ra và tìm cách gán đúng các ký tự của bảng chữ cái tƣơng ứng cho các mẫu
chữ thu đƣợc trong ảnh. Giải thích là công đoạn gán nghĩa cho một tập các
đối tƣợng đã đƣợc nhận biết.
Chúng ta cũng có thể thấy rằng, không phải bất kỳ một ứng dụng xử lý
ảnh nào cũng bắt buộc phải tuân theo tất cả các bƣớc xử lý đã nêu ở trên, ví
dụ nhƣ các ứng dụng chỉnh sửa ảnh nghệ thuật chỉ dừng lại ở bƣớc tiền xử lý.
Một cách tổng quát thì những chức năng xử lý bao gồm cả nhận dạng và giải
thích thƣờng chỉ có mặt trong hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự
động, đƣợc dùng để rút trích ra những thơng tin quan trọng từ ảnh, ví dụ nhƣ
các ứng dụng nhận dạng ký tự quang học, nhận dạng chữ viết tay v.v…
1.1.1.2. Giới thiệu về xử lý ảnh y tế
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 đốn cận lâm sàng thì chẩn đốn dựa trên hình ảnh thu
đƣợc từ các thiết bị, máy y tế (chẩn đốn hình ảnh) ngày càng chiếm một vai
trị 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.
Ảnh y tế là kỹ thuật và quá trình đƣợc sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ
thể con ngƣời hoặc bộ phận cơ thể phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận lâm
sàng nhƣ chẩn đoán, kiểm tra bệnh hoặc khoa học y tế (bao gồm cả giải phẫu
và sinh lý). Ảnh y tế theo nghĩa rộng của nó, nó là một phần của hình ảnh sinh


9
học và kết hợp X-Quang, y học hạt nhân, nội soi… dùng trong chẩn đoán điều
trị bệnh lý của con ngƣời).
Tiền thân của ngành Chẩn đốn hình ảnh, ban đầu chỉ có X-Quang
(Radiology) ra đời năm 1895, sau đó cùng với sự phát triển của khoa học

công nghệ đặc biệt là cơng nghệ thơng tin, các phƣơng pháp chẩn đốn hình
ảnh mới bao gồm: Siêu âm, chụp cắt lớp vi tính (CT: Computed
Tomography), chụp cộng hƣởng từ (MRI: Magnetic Resonance Imagin) đã
xuất hiện và phát triển tạo nên sự bùng nổ về kỹ thuật hình ảnh. Do vậy,
ngành X-Quang dần dần đƣợc đổi tên mới cho phù hợp đó là Chẩn đốn hình
ảnh y học.
Trong y tế, phƣơng pháp chẩn đốn hình ảnh rất phong phú, nhƣ chẩn
đốn qua hình ảnh phim X-Quang, hình ảnh siêu âm, siêu âm - Doppler màu,
hình ảnh nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hƣởng
từ,.. Chẩn đốn hình ảnh đã góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp
thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh. Nhƣ dựa trên hình ảnh siêu âm
tim có thể xác định cấu trúc, kích thƣớc các buồng tim, van tim, hay trong sản
khoa, siêu âm giúp xác định và theo dõi quá trình phát triển của thai nhi qua
các tuần tuổi,…
Các thực thể tạo ảnh y tế khác nhau cung cấp các thơng tin đặc tính riêng
biệt về các cơ quan bên trong hay của các tổ chức mô.
Độ tƣơng phản và độ nhìn thấy của ảnh y tế phụ thuộc vào thực thể tạo
ảnh, hàm đáp ứng cũng nhƣ phụ thuộc vào các vùng bệnh lý.
Ví dụ:
Thăm khám vết rạn có thể ở khung xƣơng sƣờn (chụp X-quang ngực) thì
cần nhìn rõ cấu trúc xƣơng cứng.
Kiểm tra khả năng có bị ung thƣ vú hay khơng (chụp X-quang vú) thì lại
cần thấy rõ sự vi vơi hóa, các khối bất thƣờng, các cấu trúc mô mềm.


10
Do vậy, mục tiêu của tạo ảnh và xử lý ảnh trong y tế là thu nhận và xử lý
các thơng tin hữu ích về các cơ quan sinh lý hay các cơ quan của cơ thể bằng
cách sử dụng các nguồn năng lƣợng để phục vụ cho việc chẩn đoán bệnh.
1.1.2. Chuẩn dữ liệu ảnh y tế

Trƣớc sự phát triển mạnh mẽ, đa dạng về chủng loại thiết bị cũng nhƣ
khác biệt về tiêu chuẩn dữ liệu của các nhà sản xuất thiết bị điện tử y tế những
năm 70-80, nhƣ sự xuất hiện của công nghệ CT và sự hiện diện ngày càng
nhiều của máy tính trong việc chẩn đoán, ACR (the American College of
Radiology) và EMA (the National Electrical Manufacturers Association) nhận
thấy cần phải có một tiêu chuẩn mới trong việc chuyển đổi hình ảnh cũng nhƣ
liên kết thông tin giữa các nhà sản xuất. Năm 1983, hai tổ chức này đã thành
lập một ủy ban để phát triển một hệ thống tiêu chuẩn với mục tiêu:
+ Tăng cƣờng khả năng giao tiếp thông tin số của thiết bị y khoa bất
chấp thiết bị đó là của nhà sản xuất nào.
+ Giúp cho việc phát triển và mở rộng các hệ thống truyền tải và lƣu 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.
+ Cho phép tạo các cơ sở dữ liệu về các thơng tin chẩn đốn và có thể
truy cập từ nhiều nơi khác.
Phiên bản thứ nhất (V1.0) của hệ thống tiêu chuẩn ACR-NEMA đƣợc
công bố vào năm 1985 và trải qua hai lần sửa đổi vào năm 1986 và 1988. Vào
năm 1988 phiên bản thứ hai (V2.0) đƣợc công bố bổ sung thêm những tiêu
chuẩn mới. Những tiêu chuẩn này quy định cấu hình của các phần cứng,
những yêu cầu tối thiểu đối với các phân mềm và những quy định về cách
định dạng dữ liệu nhƣ Papyrus (đƣợc phát triển bởi Đại học Y Dƣợc Geneva,
Thụy Sĩ) và SPI (Standard Procduct Interconnect), chuẩn liên kết nối các thiết
bị (đƣợc phát triển bởi Siemens Medical Solutions và Philips Medical


11
Systems). Tuy nhiên, cả hai phiên bản vẫn còn nhiều thiếu sót và chƣa định
nghĩa rõ ràng về kết nối thiết bị với mạng máy tính. Chính vì vậy, tiêu chuẩn
thứ 3 ra đời lấy tên là DICOM.
Theo wikipedia DICOM là viết tắt bởi cụm từ “Digital Imaging and

Communications in Medicine là tiêu chuẩn để xử lý, lưu trữ, in ấn và
thu/nhận hình ảnh trong y tế. Tiêu chuẩn này bao gồm cả việc định nghĩa cấu
trúc tập tin và giao thức truyền thông tin. Giao thức truyền thông tin là một
giao thức ứng dụng sử dụng nền tảng TCP/IP để giao tiếp lẫn nhau giữa các
hệ thống. Các tập tin DICOM có thể được trao đổi lẫn nhau giữa các hệ
thống khi các hệ thống này có khả năng thu nhận hình ảnh và dữ liệu bệnh
nhân theo định dạng DICOM. Hiệp hội các nhà sản xuất điện - điện tử Hoa
kỳ năm giữ bản quyền của tiêu chuẩn (DICOM broschure). Tiêu chuẩn này
được phát triển bởi Ủy ban tiêu chuẩn DICOM, với các thành viên thuộc
Hiệp hội Các nhà sản xuất Điện - Điện tử Hoa Kỳ”.[6]
Tiêu chuẩn DICOM cho phép việc tích hợp dễ dàng các máy thu nhận
hình ảnh, server, trạm làm việc (workstation), máy in và các thiết bị phần
cứng khác có nối mạng từ các nhà sản xuất khác nhau vào trong hệ thống
PACS. Các thiết bị khác nhau đƣợc đi kèm một bảng đáp ứng các tiêu chuẩn
DICOM để làm rõ các lớp dịch vụ mà thiết bị này hỗ trợ. DICOM đã dần dần
đƣợc chấp nhận rộng rãi ở các bệnh viện và phòng khám.
Chuẩn DICOM đã đƣa ra nhiều cải tiến, khắc phục những hạn chế của
hai phiên bản trƣớc đó:
 Chuẩn DICOM này áp dụng đƣợc trong môi trƣờng mạng vì chúng
dùng giao thức mạng chuẩn TCP/IP. Chuẩn ACR-NEMA chỉ có thể áp dụng
cho mạng point-to-point.
 Chuẩn DICOM áp dụng cho môi trƣờng lƣu trữ off-line, DICOM dùng
các thiết bị lƣu trữ chuẩn nhƣ CD-R, MOD và filesystem luận lý nhƣ ISO


12
9660 và FAT16. Chuẩn ACR-NEMA không đặc tả định dạng file, thiết bị lƣu
trữ vật lý hay filesystem luận lý.
 Chuẩn DICOM đặc tả các thiết bị y khoa cần tuân theo chuẩn DICOM
sẽ phải đáp ứng lệnh và dữ liệu nhƣ thế nào. Chuẩn ACR-NEMA bị giới hạn

về truyền tải dữ liệu, DICOM dùng khái niệm Service Classes để mô tả ngữ
nghĩa lệnh và dữ liệu đi kèm.
 DICOM có kèm đặc tả về yêu cầu, quy tắc cho các nhà sản xuất thiết bị
y khoa sản xuất sản phẩm tuân theo chuẩn DICOM. Chuẩn ACR-NEMA đặc
tả rất ít về điều này.
Hiện nay việc quản lý hệ thống tiêu chuẩn này thuộc về một Ủy ban
(DICOM Standards Committee), ủy ban này gồm nhiều công ty lớn chuyên
sản xuất các thiết bị y tế,các tổ chức y tế,...ở Bắc Mĩ, châu Âu, Nhật Bản.
Tiêu chuẩn DICOM cũng chính là tiêu chuẩn ISO 12052:2006
1.1.3. Một số vấn đề trong xử lý ảnh y tế
1.1.3.1. Các khái niệm cơ bản
* Điểm ảnh (Pixel)
Trong thực tế ảnh là một ảnh liên tục về khơng gian và về giá trị độ sáng.
Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần phải tiến hành số hóa ảnh. Số hóa ảnh
là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh
thật về vị trí (khơng gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm
ảnh đó đƣợc thiết lập sao cho mắt ngƣời không phân biệt đƣợc ranh giới giữa
chúng. Mỗi một điểm nhƣ vậy gọi là điểm ảnh hay gọi tắt là Pixel. Trong
khuôn khổ ảnh 2 chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x,y).
* Độ phân giải của ảnh
Định nghĩa: Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh đƣợc
ấn định trên một ảnh số đƣợc hiển thị.
Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải đƣợc chọn sao cho


13
mắt ngƣời vẫn thấy đƣợc sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích
hợp tạo nên một mật độ phân bố, đó chính là độ phân giải và đƣợc phân bố
theo trục x, y trong không gian 2 chiều.
* Mức xám của ảnh

Mức xám là kết quả sự mã hóa tƣơng ứng với một cƣờng độ sáng của
mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả quả q trình lƣợng hóa. Cách mã
hóa kinh điển thƣờng dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hóa 256 mức là phổ dụng
nhất do lý do kỹ thuật. Vì 28 = 256 (0, 1, …., 255), nên với 256 mức, mỗi
pixel sẽ đƣợc mã hóa bởi 8 bit.
* Láng giềng
Trong xử lý ảnh khái niệm láng giềng rất quan trọng. Có 2 loại láng
giềng: 4-láng giềng và 8-láng giềng
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)

(1.1) [7, tr.81]

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))  (x+1,y+1), (x-1,y-1), (x+1,y-1), (x-1,y+1)

(1.2)

[7, tr.81]
* Vùng liên thông
Một vùng R đƣợc gọi là liên thông nếu bất kỳ 2 điểm (xA,yA) và (xB,yB)
thuộc vào R có thể đƣợc nối bởi một đƣờng (xA,yA) …(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 trƣớc (xi-1,yi-1) và điểm tiếp theo (xi+1,yi+1) trên đƣờng
đó. Một điểm (xk,yk) đƣợc gọi là kề với điểm (x1,y1) nếu (x1,y1) thuộc vào
láng giềng trực tiếp của (xk,yk).

14
1.1.3.2. Biến đổi ảnh
Thuật ngữ biến đổi ảnh thƣờng dùng để nói tới một lớp các ma trận đơn
vị và các kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh.
Biến đổi ảnh dùng làm giảm các nguyên nhân của ảnh để việc xử lý hiệu
quả hơn. Nhƣ làm rõ hơn các thông tin mà ngƣời dùng quan tâm nhƣng ngƣời
dùng chấp nhận mất đi một số thơng tin cần thiết.
1.1.3.3. Phân tích ảnh
Phân tích ảnh liên quan đến việc xác định các độ đo định lƣợng của một
ảnh để đƣa ra một mơ tả đầy đủ về ảnh.
Q trình phân tích ảnh bao gồm nhiều công đoạn nhƣ: tăng cƣờng ảnh
để nâng cao chất lƣợng hình ảnh, phát hiện các đặc tính nhƣ biên, phân vùng
ảnh, trích chọn các đặc tính,…
- Tăng cƣờng ảnh là bƣớc quan trọng tạo tiền đề cho xử lý ảnh nhƣ: lọc
độ tƣơng phản, khử nhiễu, nổi màu,… Khôi phục ảnh là nhằm loại bỏ các suy
giảm trong ảnh.
- Biên là một đặc tính rất quan trọng của đối tƣợng trong ảnh, nhờ vào
biên mà giúp chúng ta phân biệt đƣợc đối tƣợng này với đối tƣợng kia. Một
điểm ảnh cũng có thể gọi là điểm biên nếu ở đó có sự thay đổi đột ngột về
mức xám. Tập hợp các điểm biên tạo thành biên hay còn gọi là đƣờng bao
ảnh.
- Phân vùng là bƣớc then chốt trong xử lý ảnh. Gia đoạn này nhằm phân
tích ảnh thành các thành phần có tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng
liên thông.
1.1.3.4. Nhận dạng ảnh
Nhận dạng ảnh là q trình liên quan đến mơ tả các đối tƣợng mà ngƣời
ta muốn đặc tả nó. Quá trình nhận dạng thƣờng đi sau q trình trích chọn các
đặc tính chủ yếu của đối tƣợng. Có hai kiểu mô tả: mô tả tham số (nhận dạng

15
theo tham số) và mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc).
1.1.3.5. Nén ảnh
Dữ liệu ảnh cũng nhƣ các dữ liệu khác cần phải lƣu trữ hay truyền đi
trên mạng mà lƣợng thông tin để biểu diễn cho một ảnh là rất lớn. Do đó làm
giảm lƣợng thơng tin hay nén dữ liệu là một nhu cầu cần thiết.
Nén dữ liệu là q trình làm giảm lƣợng thơng tin “dƣ thừa” trong dữ
liệu gốc và do vậy lƣợng thông tin thu đƣợc sau khi nén thƣờng nhỏ hơn dữ
liệu gốc rất nhiều.
1.2. BỆNH GIÃN PHẾ QUẢN
1.2.1. Quy trình phát hiện và xử lý trong thực tế
* Bệnh giãn phế quản là gì?
Bệnh giãn phế quản là tình trạng nhiễm trùng tái đi tái lại ở phổi gây ho
có đờm. Những triệu chứng này là do giãn nở bất thƣờng ở phế quản.
Giãn nở phế quản gây nhiều khó khăn cho việc loại bỏ chất nhầy, đờm từ
đƣờng hô hấp dƣới lên trên và ra ngồi. Chính chất đờm nhầy này là nơi cƣ
trú lý tƣởng để nhiều loại vi khuẩn, vi trùng cƣ trú sinh sôi và phát triển. Điều
này dẫn đến nhiễm trùng và sự phát triển quá mức của vi khuẩn gây ra tình
trạng sƣng viêm và kích thích. Nhiễm trùng, sƣng viêm gây ảnh hƣởng đến
đƣờng hô hấp, làm giãn phế quản nhiều hơn và tình trạng giãn phế quản trở
nên xấu hơn. Quá trình này có khi đƣợc gọi là giả thuyết chu kỳ luẩn quẩn của
giãn phế quản. [1]

Phế quản bình thƣờng

Giãn phế quản

Hình 1.2. Bệnh giãn phế quản

16
* Quy trình phát hiện và xử lý trong thực tế
Trong thực tế để phát hiện bệnh giãn phế quản các bác sĩ sẽ dựa vào các
triệu chứng lâm sàn và cận lâm sàn. Từ các kết quả đó mà đƣa ra phác đồ điều
trị phù hợp với từng bệnh nhân.
- Triệu chứng lâm sàng bệnh giãn phế quản
+ Triệu chứng toàn thân: Triệu chứng toàn thân phụ thuộc vào mức độ,
nguyên nhân và biến chứng của bệnh. Có thể có sút cân, thiếu máu...
+ Triệu chứng cơ năng:
 Khạc đờm: thƣờng gặp, khạc đờm nhiều từ 500-1000 ml/24 giờ, đờm
mủ, có khi hơi thối do vi khuẩn kỵ khí. Khi để lắng đờm có 3 lớp: lớp trên là
bọt; lớp giữa là nhầy mủ; lớp dƣới là mủ đục. Bệnh nhân sốt cao kéo dài,
những đợt cấp thƣờng có sốt và khạc đờm nhiều.
 Ho ra máu: thƣờng ho ra máu thể trung bình, tái phát nhiều lần, kéo dài
trong nhiều năm
 Khó thở: biểu hiện của suy hơ hấp, có thể có tím.
 Đau ngực: là dấu hiệu sớm của nhiễm khuẩn phổi ở vùng giãn phế
quản.
+ Triệu chứng thực thể:
 Khám phổi có thể khơng thấy gì hoặc nghe thấy ran ẩm, ran phế quản ở
những vùng có tổn thƣơng.
 Khám đƣờng hơ hấp trên: có thể thấy viêm mũi họng mạn tính, viêm
xoang mạn tính.
 Móng tay khum, ngón dùi trống.
- Xét nghiệm cận lâm sàng:
+ X quang phổi: Các tổn thƣơng thƣờng gặp là:
 Các đám mờ hình ống biểu hiện của các phế quản bị lấp đầy chất nhầy.
 Thành phế quản tạo thành các đƣờng song song (đƣờng ray).

17
 Thể tích của thuỳ phổi có giãn phế quản nhỏ lại
 Có các ổ sáng nhỏ giống hình ảnh tổ ong, có thể có ổ sáng với mực
nƣớc ngang kích thƣớc thƣờng khơng q 2 cm.
 Hình ảnh viêm phổi tái diễn hàng năm xung quanh khu vực giãn phế quản.
+ Chụp phế quản cản quang: Dùng chất cản quang (lipiodol) bơm vào
cây phế quản, có thể thấy phế quản giãn hình trụ, hình túi, hình tràng hạt.
+ Soi phế quản: quan sát tình trạng lịng phế quản, phát hiện các phế
quản bị gấp khúc, bị chít hẹp, xác định vị trí chảy máu, và hút dịch phế quản
tìm vi khuẩn.
+ Chụp cắt lớp vi tính: lớp mỏng, độ phân giải cao (tiêu chuẩn vàng
trong chẩn đoán xác định giãn phế quản). Các dấu hiệu có thể gặp:
 Đƣờng kính trong của phế quản lớn hơn động mạch đi kèm.
 Các phế quản không nhỏ dần đƣợc quy định là khi 1 phế quản trên một
đoạn dài 2 cm có đƣờng kính tƣơng tự phế quản đã phân chia ra phế quản đó.
 Thấy phế quản ở cách màng phổi thành ngực dƣới 1 cm.
 Thấy phế quản đi sát vào màng phổi trung thất.
 Thành phế quản dày.
+ Các xét nghiệm khác:
 Các xét nghiệm đờm tìm vi khuẩn, nấm, tìm trực khuẩn kháng cồn,
kháng toan (AFB).
 Khám tai mũi họng.
 Làm điện tâm đồ để phát hiện sớm tâm phế mạn.
1.2.2. Các dấu hiệu trên ảnh X-Quang thƣờng quy
Hội chứng phế quản bao gồm các dấu hiệu X quang trực tiếp hoặc gián
tiếp diễn tả:
- Sự dày lên của thành phế quản