Bài giảng Xử lý ảnh y tế

XỬ LÝ ẢNH Y TẾ (Medical Image Processing) MỤC ĐÍCH NẮM ĐƯỢC CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH Y TẾ CƠ BẢN VIẾT CHƯƠNG TRÌNH THỰC HIỆN TRÊN MÁY TÍNH CÁC THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH Y TẾ YÊU CẦU Xác suất thống kê Hệ thống tuyến tính (đại số tuyến tính) Xử lý số tín hiệu Ngôn ngữ lập trình (Matlab hoặc C) TÀI LIỆU THAM KHẢO Nhập môn xử lý ảnh số -- Nguyễn Thanh Thủy, Lương Mạnh Bá 2. Digital image processing -- R. C. Gonzales 3. Medical image analysis -- Atam P. Dhawan 4. Biosignal and biomedical image processing Matlab-based applications -- John L. Semmlow 6. Image processing and analysis – R. Baldock, J. Graham 5. Biomedical imaging vizualization and analysis -- Richard A. Robb CÁCH TÍNH ĐIỂM Bài tập về nhà (viết) Bài tập về nhà (lập trình) Thi kết thúc học kỳ Điểm danh GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 1 1.1. XỬ LÝ ẢNH Y TẾ? Các thực thể tạo ảnh y tế (medical imaging modality) khác nhau cung cấp các thông tin đặc tính riêng biệt về các cơ quan bên trong hay của các tổ chức mô. Độ tương phản và độ nhìn thấy của ảnh y tế phụ thuộc vào thực thể tạo ảnh, hàm đáp ứng cũng như phụ thuộc vào các vùng bệnh lý. Ví dụ: Thăm khám vết rạn có thể ở khung xương sườn (chụp X-quang ngực) thì cần nhìn rõ cấu trúc xương cứng Kiểm tra khả năng có bị ung thư vú hay không (chụp X-quang vú) thì lại cần thấy rõ sự vi vôi hóa, các khối bất thường, các cấu trúc mô mềm  xử lý ảnh y tế 1.2. CÁC THỰC THỂ TẠO ẢNH Y TẾ Mục tiêu của tạo ảnh y tế: thu nhận các thông tin hữu ích về các quá trình sinh lý hay các cơ quan của cơ thể bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng. Các thực thể tạo ảnh y tế được phân chia theo Nguồn năng lượng bên trong Nguồn năng lượng bên ngoài Kết hợp cả hai Các thực thể tạo ảnh Phân chia theo loại nguồn năng lượng A general schematic of biomedical imaging system Digital mammo film Contrast enhencement Histogram equalization 1. Môi trường tạo ảnh y tế 2. Bản chất vật lý của việc tạo ảnh y tế 3. Thực thể tạo ảnh y tế 4. Phương pháp thu nhận dữ liệu để tạo ảnh y tế 5. Xử lý và phân tích ảnh y tế MÔI TRƯỜNG TẠO ẢNH Lựa chọn thực thể tạo ảnh y tế. Thiết kế các kỹ thuật xử lý và phân tích ảnh y tế. Bao gồm các đặc tính tĩnh hay động của các đối tượng được tạo ảnh như các tổ chức, các mô, các bệnh lý đặc trưng của cơ thể. Đặc tính tĩnh: mật độ mô… - Đặc tính động: dòng máu, chuyển động của tim… Ví dụ: Tái tạo và phân tích ảnh y tế hợp lýxem xét tới đặc tính động Artifact chuyển động: thời gian thu thập dữ liệu và độ phân giải của thực thể tạo ảnhphương pháp xử lý ảnh BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA VIỆC TẠO ẢNH Nguyên lý tạo ảnh được sử dụng để thu được dữ liệu CT scanner: sự truyền tia X qua cơ thể SPECT: sự phát xạ tia gamma do tương tác giữa chất phóng xạ với mô Nguyên lý khác nhaumức thông tin cung cấp cũng khác nhau: SPECT, PET: ảnh có độ tương phản, chi tiết giải phẫu kém. CT scanner: ảnh có độ sắc nét hơn, độ phân giải chi tiết giải phẫu lớn. MRI: ảnh có độ phân giải chi tiết giải phẫu lớn, độ tương phản mô mềm xuất sắc. THỰC THỂ TẠO ẢNH Quyết định chất lượng ảnh theo các tiêu chí: - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N. - Độ phân giải. - Khả năng cho thấy các thông tin chẩn đoán. Thông số kỹ thuật của nguồn ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng tạo ảnh Độ phi tuyến, hiệu suất thấp, thời gian phân rã dài, loại bỏ tán xạ thấpartifact trong ảnhtạo và xử lý ảnh thông minh PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN DỮ LIỆU Yếu tố quyết định xác định độ phân giải không gian và thời gian tốt nhất. Quan trọng đối với việc làm giảm artifact trong ảnh thông qua lọc tích cực và tiền xử lý. Đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo ảnh. Độ phân giải không gian: kích thước nhỏ nhất của đối tượng mà toàn hệ thống (gồm cả quá trình tái tạo ảnh) có thể phân biệt được. Độ phân giải thời gian: thời gian để thu được tín hiệu để tạo thành 1 ảnh đơn. Không phải là thời gian tái tạo ảnh mà là thời gian để lấy mẫu tất cả thông tin cần thiết để tái tạo ảnh. Ví dụ: X-ray CT scanner Dựa vào số photon X-ray tới detector trong 1 khoảng thời gian. Quét: chùm song song, nón, xoắn ốc. Thời gian quét khác nhaubù trừ giữa độ phân giải không gian và thời gian. Quét nhanh, độ phân giải không gian thấp và ngược lại. XỬ LÝ VÀ PHÂN TÍCH ẢNH Nhằm tăng cường thông tin chẩn đoán, hỗ trợ cho việc diễn giải các ảnh y tế (thông thường hoặc có sự trợ giúp của máy tính). - Diễn giải định tính và định lượng ảnh cho các chẩn đoán, theo dõi can thiệp, điều trị khác nhau. - Hiểu được các quá trình sinh lý cùng với các bệnh và phản ứng chống lại điều trị của chúng. 1.2. NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH Ảnh 2 chiều của vật thể: qua các dụng cụ quang học như camera hay kính hiển vi…. Ảnh 2 chiều hay 3 chiều của một tổ chức: qua các thực thể tạo ảnh y tế bằng các phưong pháp truyền qua, phát xạ, phản xạ, tán xạ hay cộng hưởng từ hạt nhân G=R(F-T) Hệ quy chiếu ảnh G, F: hệ quy chiếu ảnh miền ảnh, vật tương ứng được thể hiện như là các vector cột R, T: ma trận quay và ma trận trượt Schematic block diagram of a general 3-D image formation system requiring an external radiation source such as light for photographic imaging or x-ray for transmission imaging Schematic block diagram of an emission based image formation system (for fluorescence or nuclear medicine imaging modalities) Tổng quát: Tuyến tính: Tuyến tính, bất biến (SLI) Các hệ quy chiếu màu 1.3. CÁC BƯỚC XỬ LÝ ẢNH TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ Đánh giá việc xác định một đối tượng trên ảnh (vùng vi can xi hóa) hay một điều kiện sinh lý trong kiểm tra chẩn đoán (ung thư). Positive: quan sát thấy đối tượng. Negative: không quan sát thấy đối tượng. True: thực sự có đối tượng. False: thực sự không có đối tượng. Bảng xác định bốn tiêu chí đánh giá hiệu quả Ntot: tổng số chẩn đoán. Ntp: số kiểm tra thực sự có đối tượng. Ntn: số kiểm tra thực sự không có đối tượng. Notp: đối tượng có, quan sát có. Nofn: đối tượng có, quan sát không có. Notn: đối tượng không có, quan sát không có. Nofp: đối tượng không có, quan sát có. TPF: True Positive Fraction FNF: False Negative Fraction FPF: False Positive Fraction TNF: True Negative Fraction Độ chính xác Đường cong ROC (Receiver Operating Characteristic) Ví dụ: kiểm tra ung thư bằng sinh thiết và chụp X-quang Ntot=100; Ntp=10; Notp=8;Nofp=5 TPF=0,8 FNF=0,2 FPF=0,0556 TNF=0,944