Đề tài Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ quá trình xử lý ảnh X quang vú trên máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- N G U Y ỄN TH U V N LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ ẢNH X QUANG VÚ TRÊN MÁY TÍNH xỬ LÝ THÔ N G TIN NGUYỄN THU VÂN 2005 - 2007 Hà Nội 2007 Hµ Néi 2007 1 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất ñến TS.Nguyễn Tiến Dũng, người ñã hướng dẫn em thực hiện luận văn này. Chính những chỉ bảo tận tình về mặt chuyên môn, cùng sự kiên nhẫn và những lời khuyên, những lời ñộng viên kịp thời của thầy ñã giúp ñỡ em rất nhiều từ khi bắt ñầu cho tới khi em hoàn thành luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến PSG.TS.Nguyễn ðức Thuận và ThS.Nguyễn Thái Hà ñã giúp ñỡ em về mặt chuyên môn, cũng như tạo ñiều kiện thuận lợi về mặt thời gian trong suốt quá trình em thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn ñến PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng, các bạn ðặng Hồng Thanh, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Việt Hoàng và Vũ Văn Quý ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều khi tôi viết quyển luận văn này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến gia ñình tôi, nơi luôn là ñiểm tựa vững chắc cho tôi trong suốt quá trình học tập và công tác của mình. 2 LỜI NÓI ðẦU Ung thư vú là một căn bệnh rất phổ biến ở nữ giới. Phát hiện sớm ung thư là nhân tố chính trong khả năng sống sót của bệnh nhân. Cho ñến nay, phương pháp hiệu quả nhất ñể phát hiện sớm dấu hiệu ung thư là chụp ảnh X quang vú [1]. Hiện nay, trong quá trình quét và ñọc ảnh X quang vú, các bác sĩ ñược hỗ trợ rất nhiều từ hệ thống máy tính. Các thuật toán trên máy tính giúp nâng cao chất lượng ảnh X quang vú, ñưa ra các vùng nghi ngờ có bệnh. Ngoài ra, quá trình ñọc kỹ một bức ảnh X quang gọi là quá trình kiểm tra ảnh. Một hệ thống máy tính thực hiện kiểm tra ảnh X quang vú sẽ bao gồm các thành phần thực hiện các công việc như phân vùng ảnh, phát hiện và phân loại khối u, phát hiện và phân lại các khối vi canxi hoá. Luận văn này nghiên cứu và trình bày về một thuật toán thực hiện phân vùng các ảnh X quang và ñịnh vị khối u trên ảnh. Thuật toán phân vùng ảnh sử dụng toán tử dựa trên lược ñồ xám của ảnh ñể xác ñịnh ranh giới giữa các thành phần khác nhau trên ảnh. Nó sử dụng thuật toán nhóm ñiểm ảnh ñể ñưa ra các tập hợp ñiểm ảnh biểu diễn các vùng khác nhau trên ảnh. Thuật toán ñịnh vị khối u sử dụng mức ñộ thay ñổi của ñối sánh mẫu ñể ñịnh vị các vùng nghi có bệnh. Cuối cùng, một cơ sở dữ liệu ảnh X quang vú ñã ñược chẩn ñoán và kiểm nghiệm kết quả bằng thực tế ñược xây dựng. ðó là cơ sở dữ liệu chuẩn bao gồm các ảnh ñược dùng làm mẫu, các mẫu này ñược sử dụng trong quá trình ñọc các ảnh X quang vú tại bệnh viện K, Hà Nội. 3 MỤC LỤC Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ..........................................................................5 1.1 Mục ñích của luận văn....................................................................................5 1.2 Cấu trúc của luận văn .....................................................................................7 Chương 2 - BỆNH UNG THƯ VÚ..........................................................................8 2.1 Giải phẫu vú...................................................................................................8 2.1.1 Cấu trúc giải phẫu....................................................................................8 2.1.2 Kích thước, hình dạng và thay ñổi theo thời gian của vú........................10 2.1.3 Vị trí của vú...........................................................................................12 2.2 Ung thư vú ...................................................................................................13 2.2.1 Ung thư vú là gì? ...................................................................................13 2.2.2 Nút bạch huyết.......................................................................................15 2.2.3 Nguyên nhân của ung thư ......................................................................18 2.2.4 Các giai ñoạn của ung thư vú .................................................................21 2.3 Tạo ảnh bằng tia X .......................................................................................22 2.3.1 Tạo ảnh X quang vú – Mammography ...................................................23 2.3.2 Các kiểu bất thường mà X quang vú chẩn ñoán có thể phát hiện............29 2.3.3 Nền ảnh X quang vú ..............................................................................35 2.3.4 ðọc phim X quang vú............................................................................36 Chương 3 - XỬ LÝ ẢNH SỐ ................................................................................38 3.1 Ảnh số..........................................................................................................38 3.2 Mô hình xác suất thống kê............................................................................39 3.2.1 Lược ñồ xám..........................................................................................39 3.2.2 Giá trị trung bình (Mean) .......................................................................42 3.2.3 ðộ lệch chuẩn........................................................................................42 3.2.4 ðối xứng lệch (skewness) ......................................................................43 3.3 Cải thiện ảnh ................................................................................................43 3.3.1 Các phép toán với lược ñồ xám..............................................................43 3.3.2 Lọc và tích chập.....................................................................................46 3.3.3 Làm trơn ảnh .........................................................................................47 3.3.4 Làm sắc nét ảnh .....................................................................................48 3.4 Phân vùng ảnh..............................................................................................50 3.4.1 Phân vùng ảnh dựa trên ñường biên .......................................................50 3.4.2 Phân vùng ảnh dựa theo vùng ................................................................51 Chương 4 - PHÂN VÙNG NHŨ ẢNH ..................................................................53 4.1 Tầm quan trọng của phân vùng ảnh ñúng cách .............................................53 4.2 Thuật toán phân vùng ảnh ............................................................................54 4.2.1 Phân vùng dựa trên lược ñồ xám............................................................56 4.2.2 Phương pháp chênh lệch lược ñồ xám....................................................56 4.2.3 Tìm ranh giới giữa các thành phần.........................................................63 4.2.4 Thêm bối cảnh không gian.....................................................................67 4.2.5 Phân vùng các ảnh X quang vú ñặc........................................................71 4 4.3 Tổng kết về quá trình phân vùng ..................................................................73 Chương 5 - PHÁT HIỆN CÁC KHỐI U TRÊN ẢNH X QUANG VÚ ..................74 5.1 Thuật toán ñịnh vị khối u trong ảnh X quang vú số hóa................................74 5.2 Thuật toán phát hiện khối u ..........................................................................75 5.2.1 Một mẫu cho các khối u trong ảnh X quang vú ......................................75 5.2.2 Các phương pháp ñối sánh mẫu .............................................................79 5.2.3 Nhóm và phân vùng các vùng nghi ngờ .................................................84 5.2.4 Cải thiện ña tỷ lệ ....................................................................................85 5.3 Tổng kết về ñịnh vị khối u............................................................................87 Chương 6 - HỆ THỐNG KIỂM TRA THUẬT TOÁN QUÉT ...............................88 6.1 Các kết quả lọc ảnh ......................................................................................88 6.2 Nhóm các nhóm pixel...................................................................................89 Chương 7 - KẾT LUẬN ...................................................................................... 100 7.1 Tổng kết ..................................................................................................... 100 7.2 Phương hướng trong tương lai.................................................................... 100 5 Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Mục ñích của luận văn Ung thư vú là loại ung thư thường gặp nhất và gây tử vong hàng ñầu ở phụ nữ nhiều nước công nghiệp. Theo Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Thế giới (IARC) vào năm 1998 thì ung thư vú ñứng ñầu, chiếm 21% trong tổng số các loại ung thư ở phụ nữ trên toàn thế giới. Cũng theo IARC, xuất ñộ chuẩn hóa theo tuổi của ung thư vú ở phụ nữ là 92.04 (trên 100,000 dân) ở châu Âu và 67.48 (trên 100,000 dân) trên toàn thế giới vào năm 1998, ñều là cao nhất trong các loại ung thư ở nữ giới [3]. Ung thư vú ñang trở nên phổ biến tại các nước ñang phát triển. Tại Việt Nam, năm 1998, ở nữ giới, ung thư vú là loại ung thư có tần suất cao nhất ở Hà Nội với xuất ñộ chuẩn hóa theo tuổi là 20.3 (trên 100,000 dân) và cao thứ hai ở Thành phố Hồ Chí Minh với xuất ñộ chuẩn hóa theo tuổi là 16 (trên 100,000 dân) sau ung thư cổ tử cung mà xuất ñộ chuẩn hóa theo tuổi là 28.6 (trên 100,000 dân) [4]. ðây là một bệnh hết sức phức tạp mà trong nhiều năm qua ñã có nhiều nghiên cứu về nguyên nhân, bệnh sinh và ñiều trị. Một ñiều quan trọng cần phải nhận thấy là việc phát hiện sớm ung thư vú qua sự tầm soát ở những phụ nữ bình thường ñã làm thay ñổi rõ ràng bệnh sử tự nhiên của bệnh cũng như cải thiện ñáng kể tiên lượng bệnh. Cho ñến nay, phương pháp hiệu quả nhất ñể phát hiện ung thư vú ở phụ nữ là chụp nhũ ảnh – phương pháp sử dụng tia X ñể tạo ảnh vú. Phương pháp này có thể phát hiện ñược một khối u ác tính trong vú hai năm trước khi cơ thể cảm nhận ñược nó [1]. Nói chung, ở Việt Nam hiện nay, việc chẩn ñoán bệnh từ phim chụp X quang vú vẫn ñược thực hiện thủ công bởi các bác sĩ hoặc các kỹ thuật viên. Bác sĩ hay kỹ thuật viên phân tích từng phim X quang vú, với từng bệnh nhân, trả về kết quả tốt (vú khoẻ mạnh) hoặc khoanh ra các vùng có nghi ngờ mắc bệnh trên phim X quang. Với các bệnh nhân nghi ngờ có bệnh, các bác sĩ sẽ thực hiện thêm một số bước 6 kiểm tra, như tạo nhũ ảnh chẩn ñoán, cho ñến khi có kết quả cuối cùng. Quá trình chẩn ñoán như trên dựa nhiều vào kinh nghiệm của các bác sĩ hoặc các kỹ thuật viên. Bên cạnh phương pháp chẩn ñoán truyền thống như vậy, ngày nay chúng ta ñã ñược hỗ trợ rất nhiều từ các hệ thống máy tính. Tuy rằng máy tính chưa thể ñảm nhận ñược trọn vẹn công việc của các bác sĩ, kỹ thuật viên, nhưng với sự hỗ trợ từ hệ thống máy tính, chắc chắn hiệu quả của quá trình chẩn ñoán sẽ tăng lên nhiều lần. Ta có thể sử dụng các thuật toán ñể nâng cao chất lượng ảnh và chỉ ra những vùng khả nghi. Ảnh X quang vú trong nội dung nghiên cứu ở ñây ñược thu nhận ở dạng số và ñược thu thập từ cơ sở dữ liệu bệnh viện K Hà Nội. Ảnh X quang vú có thể chứa các dấu hiệu/ tín hiệu về ung thư vú ở nhiều mức ñộ khác nhau: các vi canxi hoá, các thương tổn, các khối giới hạn hoặc có hình dạng không rõ ràng, hay các biến dạng về hình thể… Trên thế giới, rất nhiều phương pháp phân tích ảnh số X quang vú ñã ñược nghiên cứu, triển khai và cho những kết quả tốt. Các kỹ thuật phổ biến trong lĩnh vực xử lý ảnh ñược áp dụng vào ảnh số X quang vú nhằm cố gắng xác ñịnh các dấu hiệu sớm của ung thư, càng ngày càng chính xác. Với suy nghĩ về thực trạng căn bệnh ung thư vú và cơ sở hạ tầng tại các bệnh viện ở Việt Nam, tôi thực hiện quyển luận văn này với mục ñích nghiên cứu về một thuật toán nhằm hỗ trợ các bác sĩ trong quá trình ñọc ảnh X quang vú và ñưa ra những chẩn ñoán của mình. Thuật toán này ñược gọi là thuật toán kiểm tra, nó hỗ trợ việc ñịnh vị các bất thường trên ảnh X quang vú. Luận văn sẽ trình bày về một thuật toán phân vùng ảnh X quang vú, một phương pháp xác ñịnh khối u trên ảnh và một phương pháp kiểm ñịnh, so sánh các kết quả thu ñược từ thuật toán kiểm tra. Thuật toán phân vùng ở ñây hoạt ñộng trên một tập hợp ảnh X quang vú nói chung, nó không ñòi hỏi bộ dữ liệu ñã ñược huấn luyện. Có một vài kỹ thuật về ñịnh vị khối u trên ảnh X quang vú. Chúng có những mức ñộ thành công khác nhau, và rất nhiều trong số ñó sử dụng một dạng ñối sánh mẫu ñể so sánh các phần của một bức ảnh với một mẫu khối u ñược lựa chọn từ trước. Các mẫu khác xây dựng nên các vector ñặc trưng và sử dụng một cách phân loại ñã ñược huấn luyện trước ñể chọn ra các vùng ác tính. Nghiên cứu thực hiện 7 trong luận văn này cố gắng ñưa ra những cải tiến về hiệu suất và tính chính xác của các phương pháp trên. Ta cũng ñánh giá các mẫu khối u có thể và chọn một mẫu và một phương pháp so sánh tối ưu. Cuối cùng, người thực hiện luận văn xây dựng một cơ sở dữ liệu bao gồm các ảnh X quang vú ñã ñược chẩn ñoán chính xác. Các ảnh X quang này ñược sử dụng với vai trò các mẫu ñối sánh trong quá trình ñọc các ảnh X quang trong bệnh viện K Hà Nội. 1.2 Cấu trúc của luận văn Chương 2 cung cấp một cái nhìn chi tiết về căn bệnh ung thư vú, bao gồm các biểu hiện và trạng thái của bệnh, nguyên nhân gây bệnh cũng như các cách phát hiện, ñiều trị bệnh. Chương 3 cung cấp các khái niệm cơ bản về xử lý ảnh cũng như một số phép toán cải thiện, nâng cao chất lượng ảnh X quang vú, ví dụ ñiều chỉnh, cân bằng lược ñồ xám, lọc và làm trơn ảnh. Chương 4 giới thiệu và triển khai thuật toán phân vùng ảnh X quang vú. Thuật toán phân vùng dựa trên lược ñồ xám kết hợp các thông tin về không gian. Chương 5 trình bày phương pháp phát hiện khối u dựa trên ñối sánh mẫu. Trước tiên sử dụng một mẫu ñể nhận biết và ghi lại các pixel nghi ngờ. Saud dó là bước nhóm các pixel và kiểm tra lại với mẫu ña tỷ lệ sao cho phù hợp với kích thước chính xác của khối u. Chương 6 trình bày về hệ thống kiểm ñịnh thuật toán hỗ trợ kiểm tra ảnh X quang vú với các ví dụ minh họa cụ thể. Cuối cùng, Chương 7 ñưa ra kết luận về công việc thực hiện và hướng phát triển trong tương lai. 8 Chương 2 - BỆNH UNG THƯ VÚ 2.1 Giải phẫu vú 2.1.1 Cấu trúc giải phẫu Vú bắt ñầu phát triển ở phôi thai khoảng 7 ñến 8 tuần sau khi thụ thai. Chưa thể nhận ra chúng ở giai ñoạn này, bao gồm chỉ một chút mô gợn lên. Từ tuần thứ 12 ñến 16, nhiều thành phần phụ trở nên rõ ràng hơn. Các nhóm tế bào rất nhỏ bắt ñầu phân nhánh dẫn ñến sự hình thành các ống dẫn và các tuyến sản xuất sữa trong tương lai. Các mô khác phát triển thành các tế bào cơ, các tế bào này sẽ hình thành núm vú (ñiểm nhô ra của vú) và quầng vú (phần mô màu thẫm xung quanh núm vú). Trong các giai ñoạn sau của thời gian mang bầu, các hormone của mẹ ñi qua nhau thai ñể vào bào thai, khiến các tế bào vú hình thành các cấu trúc dạng ống phân nhánh, từ ñó hình thành các ống dẫn sữa. Trong 8 tuần cuối cùng của thai kỳ, các thuỳ con (các tuyến sản sinh ra sữa) hoàn thiện và thực sự bắt ñầu sinh ra một chất lỏng gọi là sữa non. Trong cả trẻ sơ sinh nam và nữ ñều có thể cảm nhận ñược những vết phồng nằm dưới núm vú và quầng vú và có thể nhận biết một chất lỏng trong suốt tiết ra, ñó là sữa non. Những hiện tượng này biểu thị tác ñộng của hormone người mẹ và sẽ giảm dần ñi trong những tuần ñầu tiên của cuộc ñời. Từ thời thơ ấu ñến tuổi dậy thì, không có sự khác nhau giữa vú của nam và nữ. Tuy nhiên, với sự bắt ñầu tuổi dậy thì ở nữ, quá trình giải phóng estrogen, trước tiên là một mình, và sau ñó là kết hợp với progesterone khi buồng trứng hoàn thiện về chức năng, khiến vú trải qua những thay ñổi ñột ngột, lên ñến cực ñiểm trong dạng trưởng thành hoàn toàn. Quá trình này trung bình mất 3 ñến 4 năm và thường hoàn chỉnh vào tuổi 16. Sự hoàn thiện hơn nữa của các mô vú xảy ra cùng quá trình tiết sữa và thường ñược coi là một cách bảo vệ chống lại bệnh ung thư vú. Vú của phụ nữ trưởng thành cơ bản bao gồm 4 cấu trúc sau: các tiểu thuỳ hay tuyến; các ống dẫn sữa; mỡ và mô liên kết (Hình 2.1). Các tiểu thuỳ tập hợp lại thành các ñơn vị lớn hơn gọi là thuỳ. Trung bình có 15 – 20 thuỳ trong mỗi bên vú sắp xếp hỗn ñộn theo dạng nan hoa toả ra từ núm vú/ khu vực quầng vú. Tuy nhiên, sự phân bố các thuỳ này không ñều. Mô tuyến trội hơn ở phần vú trên bên ngoài. Phần này chịu trách nhiệm về sự căng cứng ở vùng này mà rất nhiều phụ nữ cảm 9 thấy trước chu kỳ kinh nguyệt. Nó cũng là khu vực chiếm một nửa trong tổng số ung thư. Các thuỳ ở ñây ñổ vào các ống dẫn sữa, chảy qua vú về hướng núm/ quầng vú. Ở ñó, chúng tụ lại thành 6 ñến 10 ống dẫn lớn hơn gọi là các ống góp, các ống này dẫn vào ñế của núm vú và kết nối với bên ngoài. Trong khi tiết sữa, sữa trong vú ñi theo dòng chảy này ñưa ñến trẻ em. Hình 2.1 Cấu trúc giải phẫu của vú ðộ ổn ñịnh của các thuỳ trong vú khác nhau theo từng người và có thể còn thay ñổi giữa 2 vú trên cùng một cơ thể. Tuy nhiên, nói chung, phần tuyến của vú có cảm giác rắn, có dạng mấu. Xung quanh các thuỳ là mỡ. Không giống các thuỳ, mỡ hầu như luôn luôn mềm. Sự khác biệt về mật ñộ giữa mô tuyến và mô mỡ trong vú chính là cơ sở cho tạo nhũ ảnh. Trong khi ñó, các ống dẫn trong vú thường không cảm nhận ñược trừ khi chúng bị ứ sữa, bị sưng hoặc có khối u. Vú của phụ nữ trẻ tuổi cơ bản bao gồm mô tuyến với chỉ một lượng rất ít là mỡ. Vì thế chúng chắc hơn so với những người già. Khi tuổi tăng lên, ñặc biệt với sự mất mát estrogen và vào thời kỳ mãn kinh, các thuỳ co lại và ñược thay thế bởi 10 mỡ. Vú trở nên mềm hơn và mất giá ñỡ. Kiểm tra cơ thể và nhũ ảnh chụp vào thời kỳ này dễ “biên dịch” hơn và có thể là chính xác hơn. Trong khi tất cả các thành phần của vú bị ảnh hưởng bởi hormone nữ, mô tuyến là nhạy cảm nhất. Các thay ñổi rất ñột ngột và hoàn toàn bình thường có thể xảy ra trong suốt chu kỳ kinh nguyệt. Các thay ñổi này rõ ràng nhất là vào trước khi hành kinh khi mức ñộ estrogen và progesterone lên ñến ñỉnh. Ngay sau khi hành kinh, mức hormone trở về thấp nhất và vú trở nên mềm hơn và ít ñau hơn. ðây là thời gian tốt nhất ñể thực hiện tự kiểm tra vú (BSE), và chụp nhũ ảnh. Ở các phụ nữ sau khi mãn kinh, khi không cần cung cấp estrogen nữa, trọng lượng trở thành một nhân tố quan trọng ñối với kích thước và hình dạng của vú. Bao gồm hầu hết là mỡ ở thời ñiểm này, những thay ñổi nhỏ trong trọng lượng của cơ thể cũng có thể gây ra thay ñổi lớn trong kích thước vú. Có một vài dị tật bẩm sinh của vú rất ñáng nhắc ñến ở ñây. Dị tật thường thấy nhất là của núm vú phụ và/ hoặc mô vú. Dị tật này xảy ra với 2 – 6% dân số và thường không ñược nhận biết. Núm phụ có thể xuất hiện bất cứ chỗ nào dọc theo tuyến sữa (mô gợn lên một chút, chỉ thấy ở bào thai, kéo dài từ trong nách ra ñến ñỉnh mà từ ñó vú phát triển). Mô vú phụ thường xảy ra ở vùng trong nách. Không ñáng lo ngại về mặt lâm sàng ngoại trừ việc phải ñể ý sự có mặt của chúng và tính ñến chúng trong những lần khám bệnh. Một dị tật bẩm sinh nữa có thể xảy ra là sự kém phát triển hoặc thiếu hẳn một hoặc cả hai bên vú. Không giống trường hợp núm vú phụ và mô vú, khiếm khuyết này khá hiếm. Thông thường một núm vú bước ñầu vẫn có ở bên bị ảnh hưởng. Các dị tật về cơ nằm dưới và khung xương sườn cùng tồn tại cũng khá phổ biến. Người ta có thể thực hiện hiệu chỉnh bằng phẫu thuật nhựa và cách này có khả năng cải thiện ñáng kể chất lượng cuộc sống. 2.1.2 Kích thước, hình dạng và thay ñổi theo thời gian của vú Kích thước và hình dạng vú của phụ nữ khác nhau ñáng kể. Một số phụ nữ có lượng mô vú lớn, và