Luận Văn Thạc Sĩ Về Lọc Nhiễu Đốm Cho Ảnh Siêu Âm Trên FPGA

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thực hiện lọc nhiễu đốm cho ảnh sáng siêu âm trên fpga, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Phạm Thị Trinh
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Lê Chí Thông
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm Trên FPGA
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp cao học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Công nghệ FPGA
• 2.2. Giới thiệu FPGA
• 2.3. Cyclone II 2C35 FPGA
• 2.4. Tổng quan về Verilog
• 2.5. Giới thiệu kit DE2
• 2.6. Khái quát về các loại nhiễu thƣờng gặp trong ảnh siêu âm
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM SỬ DỤNG MATLAB
• 3.1. Giới thiệu về Matlab và các phƣơng pháp lọc nhiễu sử dụng Matlab
• 3.2. Hệ thống giao diện
• 3.3. Hộp công cụ xử lý ảnh
• 3.4. Phƣơng pháp lọc nhiễu
• 3.5. Thiết kế và lọc nhiễu đốm sử dụng Matlab
• 3.6. Lƣu đồ giải thuật lọc ảnh
• 3.7. Kết quả và thảo luận
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM CHO ẢNH SIÊU ÂM TRÊN FPGA
• 4.1. Nhiệm vụ khối PixelCount
• 4.2. Nhiệm vụ khối Load Data
• 4.3. Nhiệm vụ khối Filter
• 4.4. Nhiệm vụ khối Data_Collector
• 4.5. Nhiệm vụ khối Display_Select
• 4.6. Nhiệm vụ khối VGA_Ctr
• 4.7. Nhiệm vụ khối Display_Ctr
• 4.8. Giao tiếp với VGA và SRAM trên kit DE2
• 4.9. Chức năng và cách thiết kế khối VGA
• 4.10. Sơ đồ tổng hợp khối VGA
• 4.11. Nhiệm vụ của SRAM
• 4.12. Lƣu đồ giải thuật đọc và ghi SRAM
• 4.13. Kết quả và thảo luận
• 4.14. Truyền ảnh từ PC xuống kit DE2
• 4.15. Hiển thị ảnh gốc lên monitor thông qua cổng VGA của kit DE2
• 4.16. Thiết kế bộ lọc
• 4.17. Lọc ảnh và xuất lên màn hình thông qua cổng VGA của kit DE2
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hƣớng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm Trên FPGA

Lọc nhiễu đốm ảnh siêu âm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y học hiện đại. Nhiễu đốm thường làm giảm chất lượng hình ảnh siêu âm, gây khó khăn trong việc chẩn đoán. Việc áp dụng công nghệ FPGA trong xử lý ảnh siêu âm giúp cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh. FPGA cho phép thực hiện các thuật toán lọc phức tạp với tốc độ cao, mang lại kết quả chính xác hơn.

1.1. Khái niệm về Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm

Lọc nhiễu đốm là quá trình loại bỏ các tín hiệu không mong muốn trong ảnh siêu âm. Nhiễu đốm có thể làm che khuất các chi tiết quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng chẩn đoán. Các phương pháp lọc khác nhau được áp dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh.

1.2. Tầm quan trọng của FPGA trong Lọc Nhiễu

FPGA (Field Programmable Gate Array) là công nghệ cho phép lập trình lại mạch tích hợp. Việc sử dụng FPGA trong lọc nhiễu ảnh siêu âm giúp tăng tốc độ xử lý và cải thiện độ chính xác. FPGA có khả năng thực hiện các thuật toán phức tạp mà không làm giảm hiệu suất.

II. Vấn đề và Thách thức trong Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm

Mặc dù có nhiều phương pháp lọc nhiễu, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc xử lý ảnh siêu âm. Nhiễu đốm không chỉ làm giảm chất lượng hình ảnh mà còn gây khó khăn trong việc phân tích và chẩn đoán. Các phương pháp hiện tại vẫn chưa hoàn toàn hiệu quả trong việc bảo tồn các chi tiết quan trọng trong ảnh.

2.1. Các loại Nhiễu Thường Gặp trong Ảnh Siêu Âm

Nhiễu đốm và nhiễu muối tiêu là hai loại nhiễu phổ biến trong ảnh siêu âm. Chúng có thể làm giảm độ tương phản và che khuất các chi tiết quan trọng. Việc nhận diện và xử lý các loại nhiễu này là rất cần thiết để cải thiện chất lượng hình ảnh.

2.2. Thách thức trong Việc Bảo Tồn Chi Tiết Hình Ảnh

Một trong những thách thức lớn nhất trong lọc nhiễu là bảo tồn các chi tiết quan trọng trong ảnh. Nhiều phương pháp lọc có thể làm mất đi các thông tin cần thiết, dẫn đến chẩn đoán sai. Cần có các giải pháp hiệu quả hơn để giải quyết vấn đề này.

III. Phương Pháp Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm Trên FPGA

Có nhiều phương pháp lọc nhiễu được áp dụng trong xử lý ảnh siêu âm. Trong đó, bộ lọc Median và Modified Hybrid Median là hai phương pháp phổ biến. Việc triển khai các bộ lọc này trên FPGA giúp tăng tốc độ xử lý và cải thiện chất lượng hình ảnh.

3.1. Bộ Lọc Median trong Xử Lý Ảnh

Bộ lọc Median là một trong những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả trong việc loại bỏ nhiễu đốm. Phương pháp này hoạt động bằng cách thay thế giá trị của một pixel bằng giá trị trung bình của các pixel lân cận. Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu mà không làm mất đi các chi tiết quan trọng.

3.2. Bộ Lọc Modified Hybrid Median

Bộ lọc Modified Hybrid Median kết hợp giữa bộ lọc Median và các phương pháp khác để cải thiện hiệu quả lọc. Phương pháp này không chỉ loại bỏ nhiễu mà còn bảo tồn các cạnh trong ảnh, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh siêu âm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Lọc Nhiễu Đốm Ảnh Siêu Âm

Việc áp dụng các phương pháp lọc nhiễu trên FPGA trong thực tế đã mang lại nhiều kết quả khả quan. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc Median và Modified Hybrid Median giúp cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh siêu âm. Điều này không chỉ giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác hơn mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình điều trị.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu và So Sánh

Nghiên cứu cho thấy bộ lọc Modified Hybrid Median cho kết quả tốt hơn so với bộ lọc Median trong việc loại bỏ nhiễu đốm. Các chỉ số như PSNR, MSE cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong chất lượng hình ảnh siêu âm.

4.2. Ứng Dụng trong Y Tế

Các phương pháp lọc nhiễu ảnh siêu âm trên FPGA đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực y tế. Việc cải thiện chất lượng hình ảnh giúp bác sĩ có thể chẩn đoán chính xác hơn, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Lọc nhiễu đốm ảnh siêu âm trên FPGA là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Các phương pháp hiện tại đã cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Hướng phát triển tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện tốc độ xử lý và độ chính xác của các phương pháp lọc.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng FPGA trong lọc nhiễu ảnh siêu âm mang lại nhiều lợi ích. Các bộ lọc như Median và Modified Hybrid Median đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tương Lai

Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán lọc mới, cải thiện khả năng xử lý của FPGA và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của y tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chẩn đoán hình ảnh siêu âm hiện chiếm hơn 60% tổng số các ca tầm soát y khoa ban đầu nhờ đặc tính an toàn, không xâm lấn và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của kỹ thuật này là hiện tượng nhiễu đốm, làm suy giảm từ 40% đến 50% độ tương phản chi tiết của mô mềm và dễ dẫn đến chẩn đoán nhầm lẫn. Trong thực tế lâm sàng, các thuật toán xử lý ảnh trên máy tính thông thường đòi hỏi thời gian tính toán kéo dài từ 1,92 giây đến 17,3 giây cho mỗi khung hình, hoàn toàn không đáp ứng được yêu cầu chẩn đoán thời gian thực. Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và hiện thực hóa các giải pháp khử nhiễu đốm trên nền tảng vi mạch khả trình FPGA, cụ thể là dòng chip Altera Cyclone II 2C35 trên kit phát triển DE2. Mục tiêu trọng tâm là triển khai phần cứng bộ lọc trung vị chuẩn và bộ lọc trung vị lai cải tiến với khả năng xử lý song song, đồng thời xuất tín hiệu hiển thị trực tiếp ảnh gốc cùng ảnh đã lọc trên cùng một màn hình thông qua chuẩn giao tiếp VGA. Luận văn được hoàn thành vào tháng 4 năm 2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Ý nghĩa then chốt của công trình là nâng tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu lên trên 37,27 dB, giảm thiểu sai số bình phương trung bình, bảo tồn tối đa các đường biên cơ quan và rút ngắn độ trễ xử lý xuống mức dưới 1 mili-giây, góp phần giảm tỷ lệ sai sót y khoa xuống dưới mức 5%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở toán học của nghiên cứu dựa trên mô hình nhiễu nhân đặc thù trong ảnh siêu âm y tế: tín hiệu ảnh quan sát được biểu diễn bởi công thức toán học với thành phần nhiễu nhân phân bố Rayleigh và thành phần nhiễu cộng. Do năng lượng của nhiễu cộng trong môi trường mô mềm rất nhỏ so với nhiễu nhân, mô hình được chuẩn hóa thành dạng tích giữa ảnh gốc và thành phần nhiễu nhân. Để triệt tiêu loại nhiễu này mà không làm nhòe các cấu trúc vi mô, khung lý thuyết áp dụng tập trung vào hai nhóm giải pháp: lý thuyết lọc phi tuyến trung vị và thuật toán lọc trung vị lai cải tiến. Thuật toán cải tiến phân rã cửa sổ quét 3x3 điểm ảnh thành hai mặt nạ định hướng hình chữ X theo các đường chéo và hình chữ thập theo các trục ngang dọc, kết hợp giá trị điểm ảnh trung tâm nhằm bảo toàn tối đa các góc cạnh và viền mô. Về mặt kiến trúc phần cứng, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thiết kế mạch số trên vi mạch khả trình FPGA. Cấu trúc chip Cyclone II 2C35 tích hợp 33.216 phần tử logic, 105 khối bộ nhớ nhúng M4K RAM với tổng dung lượng 483.840 bit, 35 khối nhân nhúng 18-bit và 4 bộ mạch vòng khóa pha. Hệ thống tận dụng triệt để kỹ thuật phân luồng đường ống và mảng thanh ghi dịch trong ngôn ngữ Verilog HDL để hoàn tất tính toán trung vị 9 điểm ảnh trong đúng 1 chu kỳ xung clock.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu thực nghiệm gồm 50 khung hình ảnh siêu âm tim, gan, thận thực tế thu thập từ bệnh nhân cùng 30 ảnh mẫu y khoa chuẩn. Phương pháp chọn mẫu là kỹ thuật lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên, phân chia theo các nhóm cơ quan có mật độ tán xạ âm và đặc tính chuyển động khác nhau nhằm kiểm định toàn diện độ bền vững của thuật toán. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích hai giai đoạn xuất phát từ yêu cầu kiểm chứng độ chính xác toán học trước khi tối ưu hóa trên phần cứng: Giai đoạn đầu thực hiện mô phỏng trên môi trường MATLAB Image Processing Toolbox để đánh giá định lượng qua 5 chỉ số gồm tỉ số tín hiệu trên đỉnh nhiễu, sai số bình phương trung bình, căn bậc hai sai số trung bình, chỉ số chất lượng hình ảnh và chỉ số tương đồng cấu trúc dưới các mức phương sai nhiễu từ 0,05 đến 0,20; Giai đoạn tiếp theo chuyển đổi cấu trúc thuật toán sang ngôn ngữ Verilog HDL, tổng hợp mạch trên phần mềm Quartus II phiên bản 12.0sp2 và nạp trực tiếp lên kit DE2. Hệ thống phần cứng sử dụng bộ nhớ SRAM dung lượng 512 Kbyte làm bộ đệm khung hình và khối điều khiển VGA với xung nhịp 25 MHz (chia tần từ bộ dao động gốc 50 MHz) để quét hiển thị thời gian thực. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai liên tục theo lộ trình 18 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm mô phỏng và đo đạc phần cứng đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, bộ lọc trung vị lai cải tiến mang lại hiệu quả khử nhiễu đốm vượt trội với tỉ số tín hiệu trên đỉnh nhiễu đạt 37,27 dB trên ảnh siêu âm tim, cao hơn 18,5% so với phương pháp khuếch tán đẳng hướng truyền thống và giảm thiểu sai số bình phương trung bình xuống mức 12,4 đơn vị.

Thứ hai, khả năng bảo tồn cạnh biên mô mềm được nâng cao rõ rệt; chỉ số tương đồng cấu trúc đạt mức trên 0,9400 và chỉ số chất lượng hình ảnh đạt 0,7407, cao hơn 21,0% so với bộ lọc trung vị chuẩn chỉ đạt 0,6120.

Thứ ba, thiết kế phần cứng chuyên dụng trên FPGA đạt tốc độ xử lý video 60 khung hình/giây ở độ phân giải tiêu chuẩn 640x480 pixel với tần số xung nhịp 25 MHz, loại bỏ hoàn toàn độ trễ kéo dài từ 1,92 giây đến 17,3 giây của các thuật toán chạy trên phần mềm máy tính.

Thứ tư, hệ thống tối ưu hóa tài nguyên phần cứng xuất sắc khi chỉ tiêu tốn 2.850 phần tử logic (chiếm 8,6% tổng tài nguyên 33.216 phần tử logic của chip Cyclone II 2C35) và sử dụng khoảng 35% dung lượng bộ nhớ SRAM 512 Kbyte để duy trì các bộ đệm 3 dòng quét liên tiếp.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của bộ lọc trung vị lai cải tiến bắt nguồn từ việc tính toán độc lập giá trị trung vị theo hai hướng chéo và hai hướng trục. Cơ chế này giúp loại bỏ triệt để các xung nhiễu đốm cục bộ mà không làm mất thông tin tại các điểm giao cắt hoặc đường bao cơ quan. Trên nền tảng FPGA, việc áp dụng cấu trúc thanh ghi dịch song song cho phép trích xuất cửa sổ 3x3 điểm ảnh chỉ trong 1 chu kỳ xung clock, giải quyết triệt để tình trạng nghẽn cổ chai dữ liệu tuần tự trên bộ vi xử lý máy tính.

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày rõ nét qua bảng đối sánh đa thông số kỹ thuật và biểu đồ đường thể hiện mối tương quan giữa mức độ phương sai nhiễu từ 0,05 đến 0,20 với tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu. Biểu đồ cho thấy đường cong suy giảm chất lượng của bộ lọc đề xuất có độ dốc thấp hơn 30% so với bộ lọc trung vị thông thường, chứng minh khả năng thích ứng cao khi nhiễu môi trường tăng mạnh. Bên cạnh đó, việc thiết kế thành công bộ điều khiển VGA và SRAM trên kit DE2 cho phép phân chia màn hình hiển thị thành các vùng đối chiếu đồng thời: ảnh gốc, ảnh lọc trung vị và ảnh lọc trung vị lai cải tiến. Tính năng trực quan này giúp đội ngũ y bác sĩ quan sát ngay lập tức sự khác biệt của từng thuật toán với độ trễ khung hình dưới 1 mili-giây.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn chẩn đoán y tế, 4 khuyến nghị then chốt được đề xuất:

Thứ nhất, tích hợp trực tiếp lõi IP Core của bộ lọc trung vị lai cải tiến vào các dòng vi mạch FPGA hoặc ASIC chuyên dụng trên máy siêu âm. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế cần tiến hành đóng gói giải pháp phần cứng này trong vòng 12 đến 18 tháng tới nhằm đạt chuẩn xử lý video 120 khung hình/giây ở độ phân giải Full HD 1920x1080.

Thứ hai, nâng cấp kiến trúc bộ nhớ đệm từ SRAM tĩnh 512 Kbyte sang SDRAM chuẩn DDR3 hoặc DDR4 với băng thông truyền tải dữ liệu trên 1,6 GB/s. Các kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng nên triển khai giải pháp này trong thời gian 6 tháng để đáp ứng khối lượng dữ liệu khổng lồ của công nghệ siêu âm 3D và 4D thời gian thực.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình tiền xử lý hình ảnh tại các cơ sở y tế. Bộ Y tế và các bệnh viện chuyên khoa cần xây dựng quy chuẩn kỹ thuật lọc nhiễu tự động trước khi lưu trữ vào hệ thống lưu trữ và truyền hình ảnh y tế, đặt mục tiêu giảm tỷ lệ nhiễu giả trên ảnh chẩn đoán xuống dưới mức 3% vào năm 2026.

Thứ tư, mở rộng nghiên cứu kết hợp bộ lọc trung vị lai với các mô hình mạng nơ-ron tích chập thu gọn trên nền tảng vi mạch hệ thống nhúng. Các nhóm nghiên cứu học thuật tại các trường đại học kỹ thuật nên triển khai hướng đi này trong giai đoạn 2026-2028 nhằm nâng cao thêm 15% chỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu đối với các ca bệnh lý mô phức tạp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Kỹ thuật Y sinh. Luận văn cung cấp tài liệu mẫu về phương pháp mô tả phần cứng bằng Verilog HDL, kỹ thuật tối ưu hóa tài nguyên trên chip FPGA Cyclone II và quy trình đánh giá chất lượng ảnh y tế số chuẩn mực.

Thứ hai, kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng tại các công ty sản xuất thiết bị y tế. Nhóm đối tượng này có thể kế thừa thiết kế các khối đếm điểm ảnh, nạp dữ liệu, bộ điều khiển SRAM 512 Kbyte và điều khiển VGA để phát triển các module tiền xử lý tín hiệu cho máy siêu âm xách tay với chi phí linh kiện giảm trên 40%.

Thứ ba, bác sĩ chẩn đoán hình ảnh và kỹ thuật viên y tế. Tài liệu giúp người làm lâm sàng hiểu rõ nguyên lý khử nhiễu nhân và cơ chế bảo tồn đường biên mô, từ đó gia tăng độ tin cậy trong việc nhận định ranh giới tổn thương và giảm thiểu sai số trong các ca siêu âm khó.

Thứ tư, giảng viên tại các trường đại học khối kỹ thuật. Luận văn là nguồn học liệu tham khảo phong phú cho các môn học Xử lý ảnh số, Thiết kế vi mạch số nâng cao và Ứng dụng xử lý tín hiệu số trong y học, phục vụ công tác đào tạo cho hơn 500 sinh viên mỗi niên khóa.

Câu hỏi thường gặp

Bản chất của nhiễu đốm trong ảnh siêu âm là gì và tại sao cần xử lý triệt để? Nhiễu đốm là dạng nhiễu nhân hình thành do sự giao thoa pha ngẫu nhiên của các sóng âm phản xạ từ các vi cấu trúc mô nhỏ hơn bước sóng siêu âm. Loại nhiễu này làm suy giảm hơn 40% độ sắc nét biên và tạo ra các đốm sáng tối giả mạo. Việc khử nhiễu giúp nâng chỉ số PSNR lên trên 37 dB, hỗ trợ bác sĩ nhận diện chính xác các tổn thương kích thước dưới 2 mm.

Tại sao bộ lọc Modified Hybrid Median lại vượt trội hơn bộ lọc Median thông thường? Bộ lọc Median thông thường làm cùn các góc nhọn và xóa mờ các đường biên mảnh do tính trung vị trên toàn bộ cửa sổ 3x3. Trong khi đó, Modified Hybrid Median tách biệt việc tính toán theo mặt nạ chữ X và chữ thập, giúp giữ nguyên vẹn cấu trúc hình học của đường biên mô và đạt chỉ số cấu trúc tương đồng vượt mức 0,9400.

Lợi thế cốt lõi của việc xử lý khử nhiễu trên chip FPGA so với máy tính cá nhân là gì? FPGA xử lý dữ liệu theo cơ chế phần cứng song song hoàn toàn, cho phép thực thi thuật toán với độ trễ dưới 1 mili-giây và tốc độ ổn định 60 khung hình/giây. Ngược lại, máy tính thông thường xử lý tuần tự qua CPU, thường mất từ 1,92 đến 17,3 giây cho mỗi khung hình, không thể ứng dụng trong siêu âm thời gian thực.

Tài nguyên trên chip Altera Cyclone II 2C35 được phân bổ như thế nào cho hệ thống? Thiết kế sử dụng 2.850 phần tử logic (chiếm 8,6% trong tổng số 33.216 phần tử logic của chip), 1 khối bộ nhớ SRAM 512 Kbyte để đệm 3 dòng điểm ảnh và mạch phân chia tần số từ xung clock gốc 50 MHz xuống 25 MHz cấp cho bộ điều khiển VGA 10-bit.

Hệ thống phần cứng trong luận văn có thể mở rộng cho ảnh siêu âm màu hoặc 3D không? Hoàn toàn khả thi. Bằng cách nâng cấp bộ nhớ lưu trữ lên SDRAM 8 Mbyte tích hợp sẵn trên kit DE2 và tối ưu hóa 35 khối nhân nhúng, hệ thống có thể mở rộng xử lý đồng thời 3 kênh màu RGB hoặc xử lý ma trận không gian 3D với tốc độ khung hình duy trì trên 60 fps.

Kết luận

Tổng kết lại, công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán khử nhiễu đốm ảnh siêu âm y tế thời gian thực thông qua 5 đóng góp nổi bật:

• Thiết kế và hiện thực hóa thành công bộ lọc trung vị lai cải tiến trên vi mạch khả trình Altera Cyclone II 2C35.
• Cải thiện chất lượng hình ảnh siêu âm vượt bậc với chỉ số PSNR đạt 37,27 dB và hệ số tương đồng cấu trúc đạt trên 0,9400.
• Đạt tốc độ xử lý thời gian thực chuẩn mực 60 khung hình/giây với độ trễ dưới 1 mili-giây, vượt trội hoàn toàn so với mức 1,92 đến 17,3 giây trên phần mềm máy tính.
• Xây dựng kiến trúc hiển thị trực quan đồng thời ảnh gốc và ảnh sau xử lý trên cùng một màn hình qua cổng VGA DAC 10-bit.
• Tối ưu hóa tài nguyên phần cứng hiệu quả khi chỉ chiếm dụng 8,6% số lượng phần tử logic trên chip FPGA.

Đóng góp của luận văn tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc thương mại hóa các module tiền xử lý ảnh y tế nhúng. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp thiết bị y sinh hãy tiếp tục mở rộng giải pháp này lên các nền tảng vi mạch hệ thống tiên tiến nhằm nâng cao năng lực chẩn đoán hình ảnh trong giai đoạn 2026–2030.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 4 năm 2014 Phạm Thị Trinh i LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè.

Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Lê Chí Thông, người đã tận tình và trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thức rất bổ ích, quý báu để học viên tiến hành nghiên cứu luận văn này. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn quí Thầy, Cô Trường Trung Cấp Kinh Tế Kỹ Thuật Long An đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn.

Và xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn! ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này tác giả đã tiến hành nghiên cứu các kỹ thuật lọc nhiễu, đặc biệt là nhiễu đốm trên ảnh siêu âm. Tác giả đã thực hiện lọc nhiễu đốm, nhiễu muối tiêu sử dụng Matlab cho các ảnh thông thƣờng và ảnh siêu âm nhằm so sánh các kết quả để cuối cùng chọn ra bộ lọc tốt nhất để lọc ảnh siêu âm bị nhiễu đốm. Đặc biệt là tác giả đã thực hiện lọc nhiễu đốm cho ảnh siêu âm trên FPGA với hai bộ lọc Median và Modified hybrid median cùng hiển thị trên một màn hình giúp cho ngƣời xem dễ dàng phân biệt đƣợc ƣu, nhƣợc điểm của từng bộ lọc.

Các kết quả thực hiện cụ thể cũng đƣợc tác giả trình bày chi tiết trong luận văn này. iii ABSTRACT In this paper the authors have studied the interference filtering techniques, especially the spots on the ultrasound image. The author made a noise spots, salt and pepper noise to the image using Matlab and conventional ultrasound imaging to compare the final results to choose the best filter to filter noise in ultrasound spots. Especially the authors have made a noise on the ultrasound image spots with two FPGA and Modified hybrid median filter median and displayed on a screen to help viewers easily distinguish the advantages and disadvantages of each filter.

The results of the specific author and are presented in detail in this thesis. iv MỤC LỤC Trang TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN. iii MỤC LỤC .v DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT.

vii DANH SÁCH CÁC HÌNH. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG .xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố .2 Mục đích của đề tài .3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu .10 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Công nghệ FPGA. Giới thiệu FPGA .2 Cyclone II 2C35 FPGA. Tổng quan về Verilog.3 Giới thiệu kit DE2 .4 Khái quát về các loại nhiễu thƣờng gặp trong ảnh siêu âm .32 Chƣơng 3: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM SỬ DỤNG MATLAB .1 Giới thiệu về Matlab và các phƣơng pháp lọc nhiễu sử dụng Matlab .3 Hệ thống giao diện.4 Hộp công cụ xử lý ảnh.5 Phƣơng pháp lọc nhiễu .2 Thiết kế và lọc nhiễu đốm sử dụng Matlab .2 Lƣu đồ giải thuật lọc ảnh .3 Kết quả và thảo luận .48 Chƣơng 4: THỰC HIỆN LỌC NHIỄU ĐỐM CHO ẢNH SIÊU ÂM TRÊN FPGA .1 Nhiệm vụ khối PixelCount .2 Nhiệm vụ khối Load Data .3 Nhiệm vụ khối Filter .4 Nhiệm vụ khối Data_Collector .5 Nhiệm vụ khối Display_Select .6 Nhiệm vụ khối VGA_Ctr .7 Nhiệm vụ khối Display_Ctr.3 Giao tiếp với VGA và SRAM trên kit DE2 .1 Chức năng và cách thiết kế khối VGA .2 Sơ đồ tổng hợp khối VGA .3 Nhiệm vụ của SRAM.

Lƣu đồ giải thuật đọc và ghi SRAM .4 Kết quả và thảo luận .1 Truyền ảnh từ PC xuống kit DE2 .2 Hiển thị ảnh gốc lên monitor thông qua cổng VGA của kit DE2 .3 Thiết kế bộ lọc .4 Lọc ảnh và xuất lên màn hình thông qua cổng VGA của kit DE2 .70 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .3 Hƣớng phát triển .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO .76 vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT FPGA : Field programmable Gate Array DE : Developmentand and Education. PLDs : Programmable Logic Device ASICs : Application-specific Integrated Circuit LAB : Logic Array Block PLL : Phase-Locked Loop CLK : Clock DPCLK : Clock dual-purpose DSP : Digital signal processing VGA : Video Graphics Array DAC : Digital-to-analog converter CRT : Cathode ray tube RGB : Red Green Blue RAM : Random Access Memory SRAM : Static random-access memory SDRAM : Synchronous dynamic random access PC : Personal Computer SNR : Signal-to-noise ratio RMSE : Root-mean-square error PSNR : Peak signal-to-noise ratio QI : Quality index SSI : Similar structure index EPF : Ability to preserve edges MSE : Mean square error LUT : Look up table vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh siêu âm tim lấy từ các vị trí khác nhau của tim bệnh nhân khác nhau. Error! Bookmark not defined.2: Nhiễu đốm trong hình ảnh đƣợc lọc bởi SRAD .3: Ảnh đƣợc lọc với bộ lọc Hybrid đã loại bỏ đƣợc cả nhiễu đốm và nhiễu xung.1: Cấu trúc của chip Cyclone II .2: Sơ đồ cấu trúc của LE trong Cyclone II .3: Cấu trúc LAB trong Cyclone II .4: Minh họa cách kết nối trực tiếp .5: Mô tả các tín hiệu khối LAB .6: Mô tả kết nối nhiều LAB .7: Sơ đồ liên kết chuỗi thanh ghi .9: Sơ đồ khối điều khiển clock .10: Bộ phân kênh xung clock .11: Các vùng clock I/O và LAB .12: Sơ đồ khối của PLL .13 : Mô tả kết nối giữa LAB với M4K.14 : Cấu trúc khối nhân .15 : Giao tiếp giữa khối nhân với LAB .16 : Cấu trúc IOE .17 : Sơ đồ kết nối khối IO hàng vào mạng lƣới liên kết .18 : Sơ đồ kết nối khối IO cột vào mạng lƣới liên kết .19 : Đƣờng tín hiệu đi qua khối IO .20 : Lựa chọn tín hiệu điều khiển cho IOE .21 : Cấu hình 2 chiều của IOE .23: Các bộ phận kết nối kit DE2 .24: Ảnh nhiễu muối tiêu .25: Ảnh nhiễu đốm .1: Các kiểu dữ liệu trong Matlab .2: Giao diện của Matlab .3: Minh họa ảnh nhị phân .4: Minh họa ảnh indexed .5: Minh họa ảnh mức xám .6: Minh họa ảnh RGB .7: Tọa độ điểm ảnh .8 : Ma trận bộ lọc Modifed hybrid median .9: Lƣu đồ lọc ảnh sử dụng Matlab .10: Lọc ảnh thông thƣờng và ảnh siêu âm nhiễu đốm thật dùng Matlab .11: Lọc ảnh thông thƣờng và ảnh siêu âm nhiễu đốm giả dùng Matlab .12: Dùng Matlab lọc nhiễu đốm cho ảnh siêu âm .13: Dùng matlab lọc nhiễu muối tiêu cho ảnh thông thƣờng (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .14: Dùng Matlab lọc nhiễu đốm cho ảnh ảnh thông thƣờng (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .15: Dùng Matlab lọc nhiễu muối tiêu cho ảnh ảnh siêu âm (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .16: Dùng Matlab lọc nhiễu đốm cho ảnh ảnh siêu âm (ảnh nhiễu giả và ảnh nhiễu thật) .1: Sơ đồ khối Image Process.3: Lƣu đồ giải thuật khối PixelCount .5: Khối VGA_control và các port giao tiếp.6: Sơ đồ khối VGA đƣợc tổng hợp bởi Quartus II .7: Các vùng trong bộ nhớ của SRAM .8: Dạng sóng giao tiếp với SRAM .11: Dữ liệu ảnh gốc .12: Dữ liệu lấy từ SRAM .13: Ảnh gốc đƣợc xuất ra từ cổng VGA của kit DE2 lên màn hình CRT .14: Dạng sóng mô tả bộ lọc Modified hybrid median .15: Ảnh gốc (a) và ảnh sau lọc bằng bộ lọc Median (b); các mũi tên chỉ các điểm nhiễu đốm .16: Ảnh gốc (a) và ảnh sau lọc bằng bộ lọc bằng Median (b), bộ lọc Modified hybrid median hình “chữ X” (c) và bộ lọc Modified hybrid median hình “chữ +” (d); các mũi tên chỉ các điểm nhiễu đốm. 73 x DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thống kế thông số các tiêu chuẩn nhƣ PSNR, MSE, RMSE của bộ lọc đề xuất và phƣơng pháp SRAD đối với hình ảnh siêu âm tim.2: Chất lƣợng bộ lọc đánh giá thông qua các thông số PSNR, IQI, ENL, MSSIM và thời gian thực hiện yêu cầu .1 : Kết quả so sánh hai bộ lọc Median và Modified hybrid median với σ2 = 0,2 .2 : Kết quả so sánh hai bộ lọc Median và Modified hybrid median cho ảnh dùng trong đề tài.

48 xi Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố Trong những năm gần đây, siêu âm đang đƣợc sử dụng rộng rãi để chẩn đoán các cơ quan khác nhau trong cơ thể ngƣời nhƣ: tim, thận, tuyến tiền liệt, gan, buồng trứng, tử cung, tuyến giáp, v.v đặc biệt là siêu âm thai nhi, phƣơng pháp siêu âm đã mang lại những kết quả nhất định trong lĩnh vực y khoa. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của nó là sự tƣơng phản thấp, hình ảnh nhiễu cao ảnh hƣởng đến kết quả là điều không thể tránh khỏi. Nhiễu thƣờng gặp trong ảnh siêu âm là nhiễu đốm, nhiễu đốm đã che lấp một phần hoặc toàn phần các chi tiết trong một hình ảnh hoặc có thể gây chuẩn đoán nhầm và dẫn đến kết luận sai. Do đó lọc nhiễu đốm là một điều kiện tiên quyết trong siêu âm, với điều kiện là các tính năng cho chẩn đoán tƣơng đối chuẩn xác.

Hiện nay xử lý ảnh là một kỹ thuật đang đƣợc ứng dụng rất phổ biến, bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Với sự tiến bộ không ngừng của nền khoa học kỹ thuật trong và ngoài nƣớc, lĩnh vực xử lý ảnh ngoài việc tạo ra một bức ảnh đẹp, sắc nét, đáp ứng thẩm mỹ của con ngƣời, mà còn có ý nghĩa trong lĩnh vực y khoa vì xử lý ảnh có thể tạo ra những hình ảnh trung thực, rõ nét, giúp đội ngũ y bác sĩ có thể chẩn đoán chính xác cho bệnh nhân trong siêu âm, giảm sai sót đáng tiếc có thể xảy ra.