Tài liệu luận văn: HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN TỰ ĐỘNG TỔN THƯƠNG XUẤT HUYẾT/TỤ MÁU DỰA VÀO ẢNH CT NÃO docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC

Ngụy Đức Thuận

HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN TỰ ĐỘNG TỔN THƯƠNG

XUẤT HUYẾT/TỤ MÁU DỰA VÀO ẢNH CT NÃO

KHOÁ LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC

TP. HCM, NĂM 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ TRI THỨC

Ngụy Đức Thuận – 0112283

HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN TỰ ĐỘNG TỔN THƯƠNG

XUẤT HUYẾT/TỤ MÁU DỰA VÀO ẢNH CT NÃO

KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TIẾN SĨ LÊ HOÀI BẮC

NIÊN KHÓA 2001-2005

Lời cảm ơn

Em xin gửi lời biết ơn chân thành nhất đến thầy Lê Hoài Bắc, người

đã tận tình dạy dỗ em trong suốt quá trình học, cho em nhiều lời động viên

cũng như những chỉ dẫn quý báu để em có thể thực hiện tốt được đề tài này.

Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Công

Nghệ Thông Tin đã hết lòng trong công tác giảng dạy, tận tình cung cấp

nhiều kiến thức cần thiết trong suốt những năm học tại trường.

Em cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bác sỹ Nguyễn Ngọc Diệp và các

cán bộ phòng Chẩn đoán hình ảnh bệnh viện Đa Khoa Đồng Tháp, đến anh

Lục Thành Vũ, cán bộ phòng Chẩn đoán hình ảnh bệnh viện Nguyễn Trãi

thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp cho em những kiến thức y khoa và dữ

liệu hình ảnh cần thiết để em thực hiện đề tài này.

Trong quá trình thực hiện đề tài, không thể không kể đến sự giúp đỡ,

đóng góp ý kiến và những lời động viên hết mình của bạn bè xung quanh,

điều này thật sự đã giúp cho tôi rất nhiều. Xin chân thành cám ơn các bạn.

Và cuối cùng, con xin gửi đến ba mẹ và em trai của anh lòng biết ơn

vô bờ bến. Công lao dưỡng dục của ba mẹ, niềm tin mãnh liệt vào con và

những đêm thức trắng nơi quê nhà vì lo lắng cho con của ba mẹ đã giúp con

vượt qua được những giờ phút khó khăn nhất, khắc phục được những trở

ngại lớn lao nhất để hoàn thành đề tài này.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 7 năm 2005

Ngụy Đức Thuận

1

Mở đầu

Theo [13], chấn thương là nguyên nhân tử vong hàng đầu ở trẻ em và

người trẻ (dưới 44 tuổi), trong đó chấn thương vùng đầu chiếm trên 50% các

ca tử vong, với di chứng nặng nề và chi phí y tế rất lớn.

Để chẩn đoán, theo dõi, tiên lượng chấn thương đầu thật nhanh chóng

và chính xác thì hình ảnh học ( gồm X quang, CT, MRI…) là dữ kiện cơ bản

và quan trọng. Trong số đó, CT là khảo sát hình ảnh được lựa chọn đầu tiên

và rất có giá trị trong đánh giá chấn thương sọ não, đặc biệt là chấn thương

sọ não cấp [13].

Việc đọc phim CT hiện nay chủ yếu là do các bác sĩ chuyên khoa

chẩn đoán hình ảnh thực hiện, với số ca mỗi ngày khá lớn. Với mỗi ca chấn

thương đầu, số lượng ảnh phải chụp tối thiểu là 20, và bác sĩ phải quan sát

qua tất cả các ảnh để tìm ra nhiều biểu hiện bất thường khác nhau. Từ những

lý do đó, nhận thấy nhu cầu cho một công cụ trợ giúp chẩn đoán tự động, hỗ

trợ các bác sĩ đưa ra những chẩn đoán chính xác và ít sai sót hơn. Điều này

cũng phù hợp với xu thế hiện này là áp dụng công nghệ thông tin vào mọi

lĩnh vực của đời sống, trong đó có lĩnh vực y khoa. Tuy vậy, cũng phải nhìn

nhận rằng đây là một vấn đề không hề dễ dàng, bởi vì bản thân các bác sĩ

chuyên khoa cũng gặp nhiều khó khăn khi phân tích hình ảnh của các ca

bệnh phức tạp. Vì vậy, mục tiêu của đề tài này chỉ mới dừng lại ở giai đoạn

khai phá, tìm hiểu và thử nghiệm xây dựng hệ thống cho một số loại tổn

thương tương đối đơn giản, cụ thể hơn là loại tổn thương xuất huyết và tụ

máu. Báo cáo gồm có 4 chương và 3 phụ lục:

• Chương 1: Giới thiệu chung – kiến thức tổng quan

Giới thiệu chung về đề tài.

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các vấn đề lý thuyết quan trọng.

• Chương 3: Xây dựng hệ thống

2

Mô tả cách xây dựng hệ thống và các cách áp dụng các vấn

đề lý thuyết đã nêu.

• Chương 4: Cài đặt, kết quả thử nghiệm

Cài đặt chương trình, sơ lược về cách sử dụng, các kết quả

thử nghiệm.

• Phụ lục A: Bệnh học

Sơ lược một số kiến thức y khoa về các tổn thương có liên

quan đến đề tài.

• Phụ lục B: Dữ liệu DICOM

Một số kiến thức về dữ liệu DICOM và xử lý tập tin

DICOM.

• Phụ lục C: Giải phẫu CT đơn giản

Giải phẫu các bộ phận của não dựa vào ảnh CT (ở mức độ

đơn giản).

3

Mục lục

Lời cảm ơn ..................................................................................................................1

Mở đầu ........................................................................................................................2

Mục lục........................................................................................................................4

Danh mục hình ảnh .....................................................................................................6

Danh mục bảng biểu....................................................................................................7

Bảng kí hiệu các chữ viết tắt.......................................................................................8

Chương 1 : Giới thiệu – kiến thức tổng quan..............................................................9

1.1 Xác định vấn đề và động cơ thúc đẩy ..........................................................9

1.2 Một số kiến thức cơ bản .............................................................................10

1.2.1 Nguyên lý tạo hình:.............................................................................10

1.2.2 Tạo hình ..............................................................................................10

1.2.3 Trị số đậm độ ......................................................................................11

1.2.4 Thay đổi đậm độ .................................................................................12

1.2.5 Đặt cửa sổ (Window setting) ..............................................................13

1.2.6 Độ dày lát cắt và khoảng cách lát cắt..................................................13

1.2.7 Hình định vị ........................................................................................14

1.3 Hệ thống .....................................................................................................15

1.4 Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác..............................................................18

1.4.1 Độ nhạy (sensitivity)...........................................................................18

1.4.2 Độ đặc trưng (specificity)...................................................................18

1.4.3 Tỉ lệ vùng bệnh được phân lớp đúng ..................................................18

1.4.4 Tỉ lệ vùng bình thường được phân lớp đúng ......................................19

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết .......................................................................................20

2.1 Phân đoạn ảnh ............................................................................................20

2.2.1 Lọc ngưỡng .........................................................................................21

2.2.2 Phương pháp dựa vào biên..................................................................23

2.2.3 Phương pháp dựa trên vùng ................................................................24

2.2.4 Phương pháp thống kê và Bayes.........................................................26

2.2.5 Phương pháp mạng nơ ron và logic mờ..............................................26

2.3 Làm mảnh biên...........................................................................................27

2.4 Biểu diễn đường biên .................................................................................29

2.4.1 Biểu diễn bằng chain -code.................................................................29

2.4.2 Biểu diễn bằng dòng quét (scanline)...................................................31

2.5 Các đặc trưng mô tả vùng (đường kính, chu vi, diện tích…).....................32

2.5.1 Diện tích và chu vi ..............................................................................32

2.5.2 Khoảng cách xuyên tâm (radial distance)...........................................33

2.5.3 Chiều dài trục chính và phụ ................................................................34

2.6 Cây quyết định............................................................................................35

2.6.1 Giới thiệu về cây quyết định...............................................................35

2.6.2 Thuật toán ID3 ....................................................................................38

2.7 Thông tin tương hỗ.....................................................................................43

4

2.8 Học dựa vào sự trình diễn ..........................................................................44

Chương 3 : Xây dựng hệ thống.................................................................................46

3.1 Phân đoạn đơn giản ....................................................................................46

3.2 Học dựa vào sự trình diễn ..........................................................................47

3.2.1 Hệ thống học .......................................................................................47

3.2.2 Đặc trưng vùng....................................................................................48

3.2.3 Phân lớp bằng thuật toán k-người láng giềng gần nhất ......................50

3.3 Dùng hệ luật để định vị vùng tổn thương...................................................51

3.3.1 Hệ luật đơn giản..................................................................................51

3.3.2 Hệ luật phức tạp ..................................................................................54

Chương 4 : Chương trình cài đặt – kết quả thử nghiệm............................................57

4.1 Chương trình cài đặt...................................................................................57

4.1.1 Công cụ sử dụng .................................................................................57

4.1.2 Cấu trúc dữ liệu học............................................................................57

4.1.3 Chương trình .......................................................................................57

4.2 Đánh giá kết quả.........................................................................................60

4.2.1 Độ hiệu quả của giai đoạn phân lớp....................................................60

4.2.2 Đánh giá công việc..............................................................................61

4.2.3 Hướng phát triển trong tương lai ........................................................62

Tài liệu tham khảo.....................................................................................................63

Phụ lục.......................................................................................................................65

A. Bệnh học.........................................................................................................65

A.1 Tụ máu dưới màng cứng (Subdural Hematoma/SDH)...........................65

A.2 Tụ máu ngoài màng cứng (Epidural Hematoma/EDH)..........................66

A.3 Xuất huyết khoang dưới nhện (subarachnoid hemorrhage) ...................68

A.4 Xuất huyết trong não thất (intraventricular hemorrhage).......................69

A.5 Tụ máu trong não (intracerebral hematoma)..........................................69

B. Dữ liệu DICOM .............................................................................................71

B.1 Giới thiệu ................................................................................................71

B.2 Cấu trúc chung của tập tin DICOM........................................................71

B.3 Một số thông tin cần thiết khi xử ảnh DICOM.......................................72

C. Giải phẫu CT đơn giản vùng trên lều.............................................................76

5

Danh mục hình ảnh

Hình 1-1: Hình định vị (topogram)..........................................................................15

Hình 1-2: Mô hình hệ thống.....................................................................................16

Hình 2-1: Ảnh độ xám với: (a) 1 ngưỡng phân đoạn và (b) 2 ngưỡng phân đoạn ..22

Hình 2-2: Mặt nạ Sobel............................................................................................23

Hình 2-3: Mặt nạ của toán tử Laplace......................................................................23

Hình 2-4: Ví dụ về thuật toán Region Growing.......................................................26

Hình 2-5: Lân cận 8 của điểm p1..............................................................................28

Hình 2-6: Chain code 4 hướng và 8 hướng..............................................................30

Hình 2-7: Ví dụ về biễu diễn đường biên bằng chain code lân cận 8......................30

Hình 2-8: Đường biên của một vùng và biểu diễn dòng quét của nó ......................31

Hình 2-9: Một số đặc trưng dùng để mô tả vùng.....................................................32

Hình 2-10: Trục chính và trục phụ hình ellipse. ......................................................35

Hình 2-11: Minh họa phương pháp của Hunt ..........................................................37

Hình 2-12: Một cây quyết định chọn nhiệt độ làm gốc ...........................................40

Hình 3-1: Ảnh CT qua bộ lọc thứ nhất, trong đó màu đỏ biểu diễn cho vùng bệnh48

Hình 3-2: Minh họa lát cắt đầu tiên vùng trên lều ...................................................53

Hình 3-3: Minh họa cách phân vùng các lát cắt giữa...............................................53

Hình 3-4: Hình minh họa lát cắt trên cùng (thùy đỉnh)............................................54

Hình 3-5: Ảnh phân vùng não với các tiêu chuẩn dừng khác nhau.........................56

Hình 4-1: Giao diện chính........................................................................................57

Hình 4-2: Màn hình học dựa vào sự trình diễn........................................................58

Hình 4-3: Chọn bệnh nhân .......................................................................................59

Hình 4-4: Dữ liệu về bệnh nhân đã được hiển thị. ..................................................59

Hình 4-5: Sau khi dò tìm vùng tổn thương ..............................................................60

Hình A-1: Tụ máu dưới màng cứng.........................................................................66

Hình A-2: Tụ máu ngoài màng cứng. ......................................................................67

Hình A-3: Xuất huyết khoang dưới nhện.................................................................68

Hình A-4: Xuất huyết trong não thất .......................................................................69

Hình A-5: Tụ máu trong não....................................................................................70

Hình C-1:Giải phẫu CT não đơn giản ......................................................................76

Hình C-2: Giải phẫu CT não đơn giản .....................................................................77

Hình C-3: Giải phẫu CT não đơn giản .....................................................................78

Hình C-4: Giải phẫu CT não đơn giản .....................................................................79

Hình C-5: Giải phẫu CT não đơn giản .....................................................................80

Hình C-6: Giải phẫu CT não đơn giản .....................................................................81

Hình C-7: Giải phẫu CT não đơn giản .....................................................................82

6