Research

1. ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA
KHOA KHOA HOÏC ÖÙNG DUÏNG
----------o0o----------
LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP
THIEÁT LAÄP PHAÀN MEÀM XÖÛ LYÙ VAØ HÔÏP NHAÁT
3 CHIEÀU HÌNH AÛNH CHAÅN ÑOAÙN Y KHOA
CBHD : TS. Huyønh Quang Linh
SVTH : Traàn Phan Sôn Giang
Tp. HCM, Thaùng 01/2007
i
Email : songiangbk@yahoo.com

2. ii
LÔØI CAÛM ÔN
Tröôùc heát, toâi muoán gôûi lôøi caûm ôn chaân thaønh ñeán ngöôøi Thaày, giaùo vieân chuû nhieäm
vaø ñoàng thôøi laø Tröôûng Khoa khoa Khoa Hoïc ÖÙng Duïng – Tieán só Huyønh Quang Linh. Trong
suoát nhöõng naêm hoïc taïi Khoa, Thaày ñaõ cung caáp cho toâi nhöõng kieán thöùc voâ giaù vaø taïo ñieàu
kieän thuaän lôïi cho toâi coù theå tieáp caän vôùi caùc coâng ngheä cao caáp trong lónh vöïc trang thieát bò
chaån ñoaùn hình aûnh y khoa. Nhôø theá maø toâi coù ñöôïc neàn taûng vöõng chaéc ñeå coù theå hoaøn thaønh
luaän vaên naøy. Xin caûm ôn Thaày.
Toâi cuõng muoán gôûi lôøi caûm ôn ñeán taäp theå Caùn boä, Baùc só, Kyõ sö vaø ñoäi nguõ kyõ thuaät
vieân Khoa Chaån Ñoaùn Hình AÛnh beänh vieän Chôï Raãy Thaønh phoá Hoà Chí Minh ñaõ taän tình
giuùp ñôõ toâi trong khoaûng thôøi gian thöïc taäp taïi khoa, giuùp toâi coù ñöôïc nhöõng tö lieäu quí baùu hoã
trôï cho quaù trình thöïc hieän luaän vaên.
Luaän vaên naøy thuoäc moät lónh vöïc kyõ thuaät khaù môùi meû taïi Vieät Nam, neân trong quaù
trình thöïc hieän khoâng theå traùnh khoûi nhöõng sai soùt veà maët töø ngöõ chuyeân moân. Mong quyù
Thaày Coâ vaø caùc baïn nghieân cöùu coù theå goùp yù ñeå veà sau chuùng ta coù ñöôïc thuaän lôïi khi hoïc taäp
vaø giao tieáp trong lónh vöïc kyõ thuaät naøy.
Xin chaân thaønh caûm ôn.

3. iii
TOÙM TAÉT LUAÄN VAÊN
Luaän vaên naøy ñaõ thöïc hieän khaûo saùt moät caùch chi tieát caùc kyõ thuaät duøng ñeå hôïp nhaát aûnh 3
chieàu thu nhaän töø aûnh 2 chieàu caét lôùp cuûa nhieàu thieát bò chaån ñoaùn hình aûnh y hoïc khaùc nhau
nhö CT, MRI, SPECT, PET. Treân cô sôû ñoù, caên cöù vaøo toác ñoä, keát quaû vaø ñoä linh hoaït ñaõ ruùt
ra nhaän ñònh raèng hình thöùc hôïp nhaát baùn töï ñoäng döïa vaøo cöôøng ñoä laø moät kyõ thuaät coù öu theá
hôn nhieàu kyõ thuaät khaùc vaø khaû thi treân maùy PC. Phaàn thöïc haønh ñaõ öùng duïng kyõ thuaät naøy ñeå
thieát keá moät phaàn meàm hôïp nhaát hình aûnh 3 chieàu treân neàn ngoân ngöõ laäp trình MATLAB. Sau
khi tính toaùn thöû nghieäm vaø so saùnh vôùi caùc phaàn meàm khaùc, phaàn meàm thöïc hieän ñöôïc chöùng
toû tính hieäu duïng trong khaû naêng aùp duïng thöïc tieãn vaø coù giaù trò ñaùng keå phuïc vuï cho nghieân
cöùu vaø giaûng daïy. Phöông phaùp coù tieàm naêng phaùt trieån thaønh moät kyõ thuaät hôïp nhaát hoaøn
toaøn töï ñoäng maø trong töông lai khoâng xa seõ laø moät boä phaän xöû lyù aûnh khoâng theå thieáu ñöôïc
cuûa caùc thieát bò chaån ñoaùn hình aûnh y khoa.

4. iv
ABSTRACT
Thesis carried out a detailed survey of techniques used to register 3D medical image of
different modalities such as CT, MRI, SPECT, PET. On base of mentioned survey, a semi-
automatic intensity-based technique is found to be more available than others by comparing
their speed, image quality and robustness. Using this technology, software is developed to
registered three-dimensional volume image by MATLAB. After validation and comparing
with some other software, the software is found to be significally useful in medical research
and education. Furthermore, there is a great perspective to develop this software to a fully
automatic registration routine, which will be indispensable registration routine in most of
modern medical imaging modalities.

5. v
MUÏC LUÏC
ÑEÀ MUÏC Trang
Trang bìa................................................................................................................................i
Nhieäm vuï luaän vaên
Lôøi caûm ôn ............................................................................................................................ii
Toùm taét.................................................................................................................................iii
Muïc luïc..................................................................................................................................v
Danh muïc caùc chöõ vieát taét.................................................................................................ix
Danh muïc caùc hình aûnh.......................................................................................................x
CHÖÔNG 1 : GIÔÙI THIEÄU 1
1.1 Toång quan ....................................................................................................................1
1.2 Nhu caàu.........................................................................................................................4
1.3 Nhaän ñònh vaán ñeà........................................................................................................7
1.4 Muïc tieâu luaän vaên.......................................................................................................8
CHÖÔNG 2 : NEÀN TAÛNG NGHIEÂN CÖÙU 9
2.1 Caùc phöông tieän hieån thò hình aûnh y khoa...............................................................9
2.1.1. Thieát laäp vaø bieåu dieãn aûnh...................................................................................9
2.1.2. Hieån thò hình aûnh coäng höôûng töø......................................................................12
2.1.3. Chuïp caét lôùp ñieän toaùn.......................................................................................13
2.1.4. Chuïp caét lôùp phaùt xaï positron...........................................................................13
2.1.5. Chuïp caét lôùp ñieän toaùn phaùt xaï ñôn photon....................................................14
2.2 Hôïp nhaát hình aûnh....................................................................................................15

6. vi
2.2.1. Khoâng gian ñaëc ñieåm..........................................................................................16
2.2.2. Xaùc ñònh söï töông ñoàng......................................................................................17
2.2.3. Khoâng gian nghieân cöùu ......................................................................................18
2.2.4. Chieán löôïc nghieân cöùu .......................................................................................29
2.2.5. Caùc öùng duïng hôïp nhaát hình aûnh......................................................................20
2.3 Ñònh daïng hình aûnh soá..............................................................................................20
2.3.1. AÛnh tieâu chuaån DICOM.....................................................................................20
2.3.2. Moät soá ñònh daïng aûnh khaùc coù lieân quan.........................................................24
CHÖÔNG 3 : KHAÛO SAÙT CAÙC PHÖÔNG PHAÙP HÔÏP NHAÁT 26
3.1 Toång quaùt...................................................................................................................26
3.2 Tieâu chuaån phaân loaïi................................................................................................27
3.2.1. Nguoàn aûnh............................................................................................................27
3.2.2. Baûn chaát cuûa pheùp bieán ñoåi...............................................................................28
3.2.3. Möùc ñoä töï ñoäng ...................................................................................................29
3.3 Phaân loaïi ....................................................................................................................30
3.4 Hôïp nhaát hình aûnh theo hình thöùc ñaùnh daáu ........................................................30
3.4.1. Heä thoáng khung coá ñònh.....................................................................................32
3.4.2. Caùc caáu truùc ñaùnh daáu.......................................................................................34
3.4.3. Ñieåm ñaùnh daáu....................................................................................................35
3.5 Hôïp nhaát hình aûnh coù töông taùc .............................................................................36
3.5.1. Ñieåm vaø caáu truùc töông ñoàng............................................................................37
3.5.2. Hôïp nhaát tröïc quan taêng cöôøng........................................................................38
3.6 Hôïp nhaát hình aûnh theo ñaëc ñieåm ..........................................................................39
3.6.1. Truïc nguyeân lyù vaø moments..............................................................................40
3.6.2. Beà maët..................................................................................................................42

7. vii
3.6.3. Ñaëc ñieåm cao caáp................................................................................................43
3.7 Hôïp nhaát hình aûnh theo cöôøng ñoä ..........................................................................44
3.7.1. Töông ñoàng voxel................................................................................................44
3.7.2. Thoâng tin töông hoã..............................................................................................46
3.8 Thöïc nghieäm caùc kyõ thuaät hôïp nhaát ......................................................................47
3.9 Thaûo luaän ...................................................................................................................49
CHÖÔNG 4 : THIEÁT KEÁ PHAÀN MEÀM TREÂN NEÀN MATLAB 7.0 53
4.1 Cô sôû lyù thuyeát...........................................................................................................53
4.1.1. Hình thöùc hôïp nhaát söû duïng..............................................................................53
4.1.2. Nguyeân lyù hôïp nhaát aûnh 2 chieàu cô baûn...........................................................53
4.1.3. Nguyeân lyù taùi taïo aûnh 3 chieàu............................................................................55
4.1.4. Nguyeân lyù hôïp nhaát aûnh 3 chieàu .......................................................................56
4.2 Trình töï thieát keá phaàn meàm hôïp nhaát hình aûnh 3 chieàu.....................................57
4.2.1. Thieát keá giao dieän trình duyeät aûnh...................................................................57
4.2.2. Xaây döïng coâng cuï hôïp nhaát aûnh 2 chieàu..........................................................59
4.2.3. Xaây döïng trình duyeät aûnh 3 chieàu....................................................................61
4.2.4. Thieát laäp aûnh 3 chieàu hôïp nhaát.........................................................................66
4.2.5. Xaây döïng moät soá coâng cuï cho trình duyeät aûnh 3 chieàu..................................67
4.3 Ñaùnh giaù keát quaû ñaït ñöôïc vaø so saùnh ...................................................................68
4.3.1. Trình duyeät aûnh y khoa......................................................................................68
4.3.2. Trình duyeät aûnh 3 chieàu.....................................................................................75
4.4 Toång keát.....................................................................................................................83
CHÖÔNG 5 : KEÁT LUAÄN 85
5.1 Ñaùnh giaù keát quaû nghieäm thu..................................................................................85

8. viii
5.1.1. Ñoái vôùi trình duyeät aûnh y khoa .........................................................................85
5.1.2. Ñoái vôùi kyõ thuaät hôïp nhaát hình aûnh .................................................................85
5.1.3. Ñoái vôùi trình duyeät aûnh 3 chieàu ........................................................................85
5.2 Ñònh höôùng phaùt trieån..............................................................................................86
THAM KHAÛO 87
PHUÏ LUÏC 91

9. ix
DANH MUÏC CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT
AIR : Automated Image Registration
Boä coâng cuï hôïp nhaát hình aûnh töï ñoäng
CT : Computed Tomography
Chuïp caét lôùp ñieän toaùn
DICOM : Digital Imaging and Communications in Medicine
Hieån thò hình aûnh soá vaø giao tieáp trong y khoa
EEG : Electroencephalogram
Ñieän naõo ñoà
MI : Mutual Information
Thoâng tin töông hoã
MRI : Magnetic Resonance Imaging
Hieån thò hình aûnh coäng höôûng töø
PET : Positron Emission Tomography
Chuïp caét lôùp phaùt xaï positron
SPECT : Single Photon Emission Computed Tomography
Chuïp caét lôùp ñieän toaùn phaùt xaï ñôn photon
SPM : Statistical Parametric Mapping
Boä coâng cuï thieát laäp phaùc ñoà caùc soá lieäu thoáng keâ

10. x
DANH MUÏC CAÙC HÌNH AÛNH
Hình 1 : Thang ñoä saùng vaø ñoä töông phaûn cuûa aûnh y khoa ..........................................23
Hình 2 : Bieåu dieãn moät lôùp caét trong khoâng gian toïa ñoä xyz.......................................55
Hình 3 : Giao dieän cô baûn cuûa trình duyeät aûnh y khoa.................................................59
Hình 4 : Ñoà thò bieåu dieãn ñoä trong suoát thay ñoåi theo 64 giaù trò..................................65
Hình 5 : Duyeät hình aûnh vôùi nhieàu ñònh daïng ................................................................72
Hình 6 : Duyeät moät hoà sô aûnh cuûa beänh nhaân................................................................73
Hình 7 : Phaàn meàm duyeät aûnh y khoa SyngoView ........................................................73
Hình 8 : Caùc thao taùc tieàn xöû lyù aûnh ...............................................................................74
Hình 9 : Keát quaû hôïp nhaát hình aûnh................................................................................75
Hình 10 : Trình duyeät aûnh 3 chieàu ....................................................................................78
Hình 11 : AÛnh 3 chieàu hôïp nhaát cuûa ñaàu ngöôøi................................................................78
Hình 12 : Moät khoái aûnh hôïp nhaát ñöôïc löïa choïn.............................................................79
Hình 13 : AÛnh 3 chieàu hôïp nhaát cuûa naõo boä con ngöôøi...................................................79
Hình 14 : Hôïp nhaát aûnh 3 chieàu .........................................................................................80
Hình 15 : AÛnh 3 chieàu töø phaàn meàm 3D-Doctor vaø 3D-Slicer.......................................80
Hình 16 : Trình duyeät aûnh 3 chieàu cuûa phaàn meàm SyngoView .....................................81
Hình 17 : AÛnh 3 chieàu cuûa naõo boä taùi taïo töø boä coâng cuï SPM.......................................82