Tài liệu Hiển thị ảnh chụp cắt lớp ct 32 lát cắt dựa trên dãy hounsfield và thử nghiệm tại bệnh viện e

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Nguyễn Hiền Trang HIỂN THỊ ẢNH CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT DỰA TRÊN DÃY HOUNSFIELD VÀ THỬ NGHIỆM TẠI BỆNH VIỆN E LUẬN VĂN THẠC SĨ: HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội –2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Nguyễn Hiền Trang HIỂN THỊ ẢNH CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT DỰA TRÊN DÃY HOUNSFIELD VÀ THỬ NGHIỆM TẠI BỆNH VIỆN E Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ: HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN NHƯ SƠN Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bài luận văn này là sự nghiên cứu của bản thân (ngoài phần tham khảo đã được trích rõ) cùng với sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Như Sơn. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn nếu xảy ra sai phạm. Tác giả luận văn Nguyễn Hiền Trang LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, em đã có được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình từ các thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. Đầu tiên, em mong được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Như Sơn. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ, sự hướng dẫn của thầy giúp cho em nắm rõ mục tiêu và định hướng nghiên cứu luận văn. Em xin được gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô giáo của Học viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã trang bị cho em thêm kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường. Với những tình cảm chân thành nhất, em xin gửi tới gia đình và đồng nghiệp, đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ, chia sẻ về mọi mặt để em có thể hoàn thành khóa học này. Trong thời gian thực hiện luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót em mong nhận được sự đóng góp bổ sung ý kiến của các thầy giáo và các bạn đối với luận văn nghiên cứu của em để luận văn được hoàn thiện hơn Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Hiền Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ Chữ ký viết tắt Viết đầy đủ Digital DICOM Ý nghĩa Imaging and Tiêu chuẩn số và Communications in Medicine truyền thông trong Standars y tế CT Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp vi tính MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp cộng hưởng từ VR Value Representation Giá trị biểu diễn 2D Two - dimensional Không gian 2 chiều 3D Three - dimensional Không gian 3 chiều GPU Graphic Processing Bộ xử lý đồ họa MC Marching Cubes NEMA National Thuật toán Marching Cubes Electrical Hiệp hội các nhà sản Manufacturers Association ACR American Cllege of Radionlogy VTK Visualizaton toolket xuất Đại học X quang Hoa Kỳ Bộ công Visualizaton cụ CS Conformation Statement Báo cáo thích nghi SC Service Classes Lớp dịch vụ IOD Information Object Desfinition Đối tượng thông tin CLVT Chụp Cắt lớp vi tính DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Mr.Allan Cormark và Mr. G.N Hounsfield ..................................... 6 Hình 1. 2: Máy chụp CLVT đầu tiên ................................................................ 7 Hình 1. 3: Máy chụp CLVT toàn thân đầu tiên ................................................ 7 Hình 1. 4:Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số .................. 8 Hình 1. 5: Sơ đồ khối của máy chụp CLVT ..................................................... 9 Hình 1. 6: Ảnh từ máy chụp CLVT .................................................................. 9 Hình 1. 7:Cấu tạo dãy đầu dò của máy CLVT 32 lát cắt ................................ 10 Hình 1. 8:Nguyên lý chụp CLVT 32 lát cắt .................................................... 10 Hình 1. 9: Mô tả hình học của máy chụp CLVT thế hệ 1 ............................... 11 Hình 1. 10:Mô tả hình học của máy chụp CLVT thế hệ 3 .............................. 12 Hình 1. 11: Công nghệ chụp xoắn ốc .............................................................. 12 Hình 1. 12: Cấu tạo chung của phòng chụp CLVT......................................... 13 Hình 1. 13: Phòng điều khiển chụp CLVT ..................................................... 14 Hình 1. 14: Máy quét Gantry .......................................................................... 15 Hình 1. 15: Cấu tạo bóng phát tia X ............................................................... 15 Hình 1. 16: Dãy đầu dò trong máy quét Gantry .............................................. 16 Hình 1. 17: Bộ chuẩn trực (Collimator) .......................................................... 16 Hình 1. 18: Bộ lọc vật lý của máy quét Gantry .............................................. 17 Hình 1. 19: Voxel trong chụp CLVT .............................................................. 18 Hình 1. 20: Trị số đậm độ Hounsfield của một số bộ phận cơ thể ................. 19 Hình 1. 21: Ảnh được tạo khi có nhiều hình chiếu(projecton) đi qua ............ 20 Hình 1. 22: Hình ảnh tái cấu trúc dựa trên phép chiếu ngược ........................ 21 Hình 1. 23: Hình ảnh tái cấu trúc sử dụng phép lọc FBP ............................... 22 Hình 1. 24: Ảnh chụp CLVT khi bị cứng hóa chùm tia ................................. 26 Hình 1. 25: Ảnh chụp CLVT khi bị hiệu ứng thể tích từng phần/một phần ... 27 Hình 1. 26: Sơ đồ tạo ảnh chụp CLVT ........................................................... 29 Hình 1. 28: Mô hình cơ sở truyền tin của chuẩn DICOM .............................. 31 Hình 2. 1: Mô hình cơ sở truyền tin của chuẩn DICOM ................................ 31 Hình 2. 2: Vị trí của chuẩn DICOM trong quá trình lưu trữ ảnh .................... 34 Hình 2. 3: DICOM file format. ....................................................................... 36 Hình 2. 4: Các bit dữ liệu của file DICOM..................................................... 37 Hình 2. 5: Cấu trúc file DICOM ..................................................................... 37 Hình 2. 6: Cấu tạo của Data Element .............................................................. 38 Hình 2. 7: Các bits mã hóa điểm ảnh .............................................................. 41 Hình 2. 8: Cách mã hóa dữ liệu điểm ảnh ....................................................... 41 Hình 2. 9: Tệp file DICOM trong máy tính .................................................... 42 Hình 2. 10: Độ phân giải của ảnh y tế ............................................................. 44 Hình 2. 11: CHUẨN DICOM VÀ CHUẨN HL7........................................... 46 Hình 2. 12: Ảnh cắt lớp từ máy CLVT ........................................................... 51 Hình 2. 13: Chia khối lập phương thành các khối tứ diện .............................. 59 Hình 3. 1: Ứng dụng của đồ họa 3 chiều ........................................................ 48 Hình 3. 2: Ảnh chụp CLVT được dựng hình 3D ............................................ 49 Hình 3. 3: Quy trình tái tạo ảnh 3D từ ảnh chụp CLVT ................................. 49 Hình 3. 4: Sơ đồ Volume Visualization .......................................................... 52 Hình 3. 5: Kỹ thuật Marching Cubes có thể gây lỗ hổng trên bề mặt 3D ...... 58 Hình 3. 6: Quá trình dựng ảnh 3D................................................................... 61 Hình 3. 7: Kỹ thuật Ray-casting...................................................................... 62 Hình 3. 8: Minh họa đối tượng object- order .................................................. 63 Hình 4. 1: Mức xám Hounsfield đối với các bộ phân chính của cơ thể ......... 69 Hình 4. 2: Pipeline của chương trình cài đặt................................................... 72 Hình 4. 3: Chu trình biểu diễn dữ liệu thành hình ảnh ................................... 72 Hình 4. 4: Sắp xếp dữ liệu ............................................................................... 73 Hình 4. 5: Ảnh dựng 3D sọ não của bệnh nhân số 1 ...................................... 74 Hình 4. 6: Ảnh dựng 3D sọ não của bệnh nhân số 2 ...................................... 75 1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. . LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. .. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ .. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................... . MỤC LỤC ........................................................................................................ 1 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT VÀ ẢNH HIỂN THỊ TRÊN DÃY HOUNSFIELD............................. 6 1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT. ............. 6 1.2. ẢNH HIỂN THỊ TRÊN DÃY HOUSFIELD ....................................... 17 1.3. KỸ THUẬT TÁI CẤU TRÚC ẢNH CHỤP CẮT LỚP 32 LÁT CẮT 20 1.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ XẢO ẢNH(ARTIFACT). .............................. 25 1.5. TỔNG KẾT CHƯƠNG I ...................................................................... 29 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CHUẨN DICOM ................................... 30 2.1. CHUẨN DICOM .................................................................................. 30 2.2. CẤU TRÚC FILE DICOM ................................................................... 33 2.3. VIỆC TRAO ĐỔI THÔNG TIN CỦA CHUẨN DICOM VỚI HL7 ... 45 2.4. TỔNG KẾT CHƯƠNG 2 ..................................................................... 47 CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH 3 CHIỀU TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT. ........................................................... 48 3.1. KHÁI NIỆM ĐỒ HỌA 3 CHIỀU......................................................... 48 3.2. KỸ THUẬT BIỂU DIỄN BỀ MẶT (SURFACT RENDERING) ....... 51 3.3. KỸ THUẬT VOLUME RENDERING (VR): ..................................... 61 3.4. TỔNG KẾT CHƯƠNG 3 ..................................................................... 67 2 CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM HIỂN THỊ ẢNH CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT DỰA TRÊN DÃY HOUNSFIELD TẠI BỆNH VIỆN E ....................................................................................... 68 4.1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN................................................... 68 4.2. QUY TRÌNH THỰC HIỆN .................................................................. 71 4.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CỦA CHƯƠNG TRÌNH ......... 73 4.4. TỔNG KẾT CHƯƠNG 4 ..................................................................... 78 KẾT LUẬN .................................................................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 81 3 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài. Ngày nay, nhờ sự phát triển vượt bậc của nền khoa học kỹ thuật trên thế giới, con người ngày càng được sống và làm việc trong những điều kiện tốt hơn, do vậy các tiến bộ khoa học đã được ứng dụng rất mạnh mẽ trong lĩnh vực chăm sóc y tế và sức khỏe cộng đồng. Có rất nhiều các ứng dụng được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Trước sự phát triển của công nghệ thông tin, trong mọi lĩnh vực, đặc biệt là y tế đang nắm giữ một vai trò quan trọng đối với sự phát triển của con người cũng như toàn xã hội. Việc áp dụng công nghệ thông tin trong ngành y tế chủ yếu ở công tác quản lý hành chính và thanh toán viện phí, nhưng với yêu cầu cấp thiết của ngành y tế về các yêu cầu về việc liên thông bảo hiểm y tế, thông tuyến khám chữa bệnh cũng như tiến tới bệnh án điện tử (EMR), do đó việc áp dụng công nghệ thông tin vào ngành y tế là điều tất yếu của các bệnh viện tuyến trên như Bệnh viện E- Trung ương. Đất nước ngày càng đi lên, lĩnh vực công nghệ thông tin cũng ngày càng phát triển. Nhiều bệnh viện đã lắp đặt các hệ thống thiết bị hiện đại với mục tiêu phục vụ công tác quản lý, không ngừng tăng cường máy móc hiện đại như máy chụp cắt lớp, máy chụp X-quang, chụp cộng hưởng từ (MRI) để hỗ trợ trong công tác điều trị , khám chữa bệnh. Việc làm này đã góp phần không nhỏ trong việc tìm ra bệnh và điều trị một cách kịp thời. Ảnh được chụp từ các loại máy này được phục vụ và lưu trữ trong lĩnh vực y tế. Những ảnh này sẽ được bác sỹ dùng để kiểm tra thông tin, phục vụ cho việc khám, chẩn đoán bệnh, hoặc sử dụng để tái khám, hoặc lấy số liệu phục vụ cho việc nghiên cứu cho những bệnh nhân có cùng triệu chứng hoặc độ tuổi… Hình ảnh y tế đề cập đến một số kỹ thuật có thể được sử dụng như là phương pháp không xâm lấn nhìn vào bên trong cơ thể. Trong chẩn đoán cận lâm sàng, chẩn đoán nhờ hình ảnh thu được từ những thiết bị chẩn đoán (máy y tế) ngày càng chiếm một vai trò quan trọng. Ngày nay, nhờ sự trợ giúp các thiết bị, máy 4 y tế công nghệ cao, hiện đại được các phần mềm tin học hỗ trợ giúp việc tái cấu trúc lại hình ảnh bên trong cơ thể bệnh nhân bệnh nhân để phân biệt các mô, phát hiện các tổn thương. Là một kỹ sư được làm việc trong môi trường y tế, em đã có cơ hội được tìm hiểu và tiếp xúc với các loại thiết bị y tế hiện đại, giúp em có cái nhìn sâu hơn về tầm ảnh hưởng của các thiết bị tiên tiến đối với việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Trong thời gian công tác tại Bệnh viện E – Trung ương, nhờ sự quan tâm hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Như Sơn cũng như các anh chị cán bộ tại khoa Chẩn đoán hình ảnh của bệnh viện đã giúp em hoàn thành được bản báo cáo này. Ảnh được chụp từ các loại máy CLVT này sẽ được lưu trữ phục vụ trong lĩnh vực y tế. Vấn đề lớn nhất trong xử lý ảnh DICOM là làm sao để chúng ta phân tích được đâu là vùng dữ liệu của các thành phần như xương, mỡ, mô mềm, nước, không khí… để thực hiện được điều này ta phải xây dựng một công cụ chuyển dữ liệu của Data set thành dữ liệu ảnh mức xám dựa trên các mức xám của dãy Hounsfield. Từ những thông tin trên, để hiểu rõ được chuẩn ảnh DICOM và ứng dụng trong y tế em đã chọn đề tài : “ HIỂN THỊ ẢNH CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT DỰA TRÊN DÃY HOUNSFIELD VÀ THỬ NGHIỆM TẠI BỆNH VIỆN E” 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng: - Máy chụp cắt lớp CT 32 lát cắt. - Xử lý và hiển thị hình ảnh 3D từ ảnh chụp cắt lớp CT 32 lát cắt. - Hiển thị ảnh y tế theo mức xám Hounsfield. b. Phạm vi - Các khái niệm, phương pháp phân loại, xử lý, tái cấu trúc ảnh và hiển thị ảnh. 3. Hướng nghiên cứu: - Tìm kiếm các tài liệu trên Internet, tình hình thực tế của nơi làm việc, về việc lưu trữ ảnh y tế và truyền tải qua mạng internet, khảo 5 - - sát thực tế các công cụ xử lý ảnh, nghiên cứu máy chụp CLVT 32 lát cắt tại Khoa chẩn đoán hình ảnh – Bệnh viện E Trung ương. Liên hệ với thầy hướng dẫn trong suốt quá trình làm đề tài để đề tài đi đúng hướng và có hiệu quả. Tìm hiểu thông qua việc hiển thị ảnh DICOM trong y tế theo mức độ xám Hounsfield. Nghiên cứu trên các ca bệnh và hình ảnh thực tế tại khoa Chẩn đoán hình ảnh – Bệnh viện E. Tìm hiểu bài toán, tiến hành phân tích. Kết hợp nghiên cứu với thực nghiệm nhằm giúp cho việc nghiên cứu đúng hướng, có tính thuyết phục. Sử dụng các kỹ thuật hiển thị ảnh để làm cơ sở triển khai bài toán hiển thị chuẩn DICOM. Tìm hiểu các công cụ và phần mềm xử lý, dựng ảnh, tái cấu trúc ảnh chụp CLVT để phục vụ cho việc nghiên cứu. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu và viết tổng quan. - Xây dựng chương trình cụ thể để thử nghiệm, phân tích, đánh giá kết quả đạt được. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu - Bản thân hiểu sâu hơn và áp dụng được các ứng dụng vào thực tế của việc xử lý ảnh. - Nghiên cứu này giúp cho việc hỗ trợ và nâng cao áp dụng của công nghệ thông tin trong lĩnh vực y tế, tiến tới bệnh án điện tử trong tương lai. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT VÀ ẢNH HIỂN THỊ TRÊN DÃY HOUNSFIELD 1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP CẮT LỚP CT 32 LÁT CẮT. 1.1.1. Lịch sử ra đời Trước khi có thiết bị chụp cắt lớp vi tính (CLVT) thì X-quang là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh duy nhất, sau đó có thêm kỹ thuật siêu âm. Tuy nhiên Xquang bị hạn chế do không khảo sát được mô mềm, hơn nữa hình khi chụp bị chồng hình, từ cấu trúc ba chiều trở thành hai chiều. Còn siêu âm thì không khảo sát được xương. Do đó máy CLVT ra đời, là một cuộc cách mạng với lĩnh vực y khoa nói chung và lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh nói riêng. Việc ra đời máy chụp CLVT đã giúp cho việc phân biệt được các bộ phận như xương, mô mềm và máu trong não.  Năm 1917, nhà toán học người Đức tên là Randon đã tìm ra cơ sở toán học của việc tái cấu trúc của vật thể 3 chiều dựa trên vô số những hình chiếu của vật thể đó trong không gian.  Năm 1963, Allan McLeod Cormark là người viết ra lý thuyết toán cơ bản X-quang xoay. Hình 1. 1: Mr.Allan Cormark và Mr. G.N Hounsfield  Năm 1967, dựa trên nguyên tắc vật lý trên đây của Cormack, một kỹ sư người Anh tên là G.N Hounsfield đã xây dựng ý tưởng về chụp X-quang nhiều góc độ của 1 vật thể để xác định cấu tạo bên trong. 7  Năm 1970, nhận thấy các hạn chế của phương pháp chụp X-quang thông thường và kỹ thuật chụp tomography, kết hợp với hiểu biết về tia X đã được nghiên cứu trước đó, Sir Godfrey Hounsfield và Cormark độc lập nghiên cứu và tìm ra kỹ thuật chụp của máy CLVT.  Ứng dụng đầu tiên của máy CLVT là chụp não. Nhờ phát minh này họ đã cùng nhau chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1979. Hình 1. 2: Máy chụp CLVT đầu tiên  Máy chụp CLVT thương mại đầu tiên được đưa ra ở triển lãm tại London 4/1972. Tomography được tạo từ tiếng Hy Lạp: “Tomo” nghĩa là miếng, lát và “graphy”là miêu tả. Computed là xử lý bằng máy tính, dựa trên thuật toán dựng hình từ ảnh chụp X-quang nhiều góc độ.  Ngày 1.10.1971 Sir.Hounsfield và Ambrose(Anh) đã cho ra đời chiếc máy chụp cắt lớp sọ não vi tính đầu tiên. Máy chụp CLVT thương mại đầu tiên được đưa ra ở triển lãm tại London 4/1972 và NewYork 5/1972. Hình 1. 3: Máy chụp CLVT toàn thân đầu tiên 1.1.2. Nguyên lý chụp CLVT  Nguyên lý chung - Bóng phát tia X: Máy chụp X-quang và máy chụp CLVT có những điểm tương đồng ở chỗ đầu đèn phát tia X ( tương tự máy X-Quang). 8 - X-quang và máy chụp CLVT đều dùng tia X làm nguyên lý chẩn đoán nhưng đối với máy CLVT thì độ phân giải rất tốt, còn X-quang độ phân giải chưa tốt. - X-quang và CT đều dựa trên nguyên lý hấp thu tia X. Mỗi khối vật chất đồng nhất có bề dày là L, và có 1 hệ số suy giảm tuyến tính là µ, đầu đèn phát tia X với 1 cường độ là I0 , khi đi qua khối vật chất này sẽ bị hấp thu lại và còn lại là cường độ I ( I - Xem thêm -