CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH Y TẾ VÀ ỨNG DỤNG MẠNG NƠ-RON TÍCH CHẬP TRONG HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN QUA HÌNH ẢNH Tóm tắt: Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh trong y tế, đặc điểm của một số phương thức ảnh y tế cơ bản và ứng dụng mạng nơ- ron tích chập trong tác vụ phân tích ảnh y tế. Tiếp theo, tác giả trình bày và phân tích cấu trúc của hệ thống hỗ trợ chẩn đoán hình ảnh y tế bằng máy tính(CAD). Phân tích các kết quả nghiên cứu cùng hướng nghiên cứu với luận án, dựa trên những công trình nghiên cứu đã được công bố gần đây ở trong và ngoài nước, chỉ ra được các vấn đề còn tồn tại của những nghiên cứu trước đây đã phân tích. Từ những cơ sở lý thuyết và những vấn đề tồn tại của những nghiên cứu trước đây trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả đề xuất giải pháp mới để nâng cao hiệu quả hỗ trợ chẩn đoán một số dạng ung thư dựa trên kỹ thuật xử lý ảnh và mạng nơ-ron tích chập.
Tổng quan về chẩn đoán hình ảnh trong y tế Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng (chẩn đoán cận lâm sàng). Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ các thiết bị, máy y tế ngày càng chiếm một vai trò quan trọng. Nhất là ngày nay, sự trợ giúp của các phần mềm tin học giúp cho hình ảnh y tế rõ nét và chính xác hơn [22, 23]. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú, như chẩn đoán qua hình ảnh X-quang, hình ảnh siêu âm, siêu âm - Doppler màu, hình ảnh nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính CT, hình ảnh chụp cộng hưởng từ MRI, hình ảnh kính hiển vi [24].
Chẩn đoán hình ảnh đã góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả trong chẩn đoán bệnh. Như dựa trên hình ảnh siêu âm, các bác sĩ có thể đo được tương đối chính xác kích thước các tạng đặc trong ổ bụng (gan, lách, thận, tuỵ, .) và phát hiện các khối bất thường nếu có. Từ hình ảnh siêu âm tim, cấu trúc, 7 kích thước các buồng tim, van tim và các mạch máu lớn có thể được xác định. Trong sản khoa, siêu âm giúp xác định và theo dõi sự phát triển của thai nhi trong bụng mẹ.
Hình ảnh CT giúp bác sĩ xác định được một số bệnh lý ở sọ não, đặc biệt là xác định máu tụ nội sọ, khối u não. Chụp cộng hưởng từ xác định chính xác hơn các hình thái và các khối bất thường trong cơ thể [24]. Ngày nay, hầu hết các chuyên khoa đều liên quan đến hình ảnh học Y khoa. Ngay cả da liễu cũng cần đến sự hỗ trợ của chẩn đoán hình ảnh khi gặp các bệnh lý thể hiện ngoài da.
Hay như tâm thần cũng phải dùng đến chẩn đoán hình ảnh vì ngoài yếu tố tâm thần bị tổn thương thì người bệnh cũng có thể mắc những bệnh lý kết hợp khác. Điều này giúp cho việc chẩn đoán bệnh được toàn diện hơn. Do đó, chẩn đoán hình ảnh tương tác với mọi chuyên khoa và hỗ trợ theo nhiều cấp độ trong việc cung cấp thêm thông tin lâm sàng cho bệnh nhân [25]. Các thiết bị và máy y tế về chẩn đoán hình ảnh ngày càng ứng dụng nhiều hơn về công nghệ thông tin.
Các phần mềm cho các máy y tế ngày càng được nâng cấp, nhất là khi kỹ thuật số ra đời đã giúp cho hình ảnh sâu hơn, chất lượng ảnh tốt hơn. Để hỗ trợ các bác sĩ trong công tác chẩn đoán hình ảnh, phát hiện sớm các bất thường, với độ chính xác cao, tạo tiền đề cho điều trị đạt hiệu quả. Xử lý ảnh y tế trở thành một vấn đề rất quan trọng, giúp tối ưu cho việc thu thập, xử lý, phân tích và đọc hiểu hình ảnh y tế. Những tiến bộ công nghệ đạt được trong xử lý hình ảnh y tế đã tạo ra cơ hội chưa từng có cho việc chẩn đoán không xâm lấn, đồng thời đưa chẩn đoán hình ảnh trở thành một phần không thể thiếu của hệ thống chăm sóc sức khỏe.
Xử lý hình ảnh y tế liên quan đến quy trình nhiều bước, từ thu thập dữ liệu thô đến truyền tải hình ảnh số hóa, làm tiền đề cho luồng dữ liệu hoàn chỉnh trong các hệ thống hình ảnh y tế hiện đại. Hiện nay, các hệ thống này có thể xử lý hình ảnh có độ phân giải ngày càng cao về kích thước không gian và cường độ, cũng như thời gian thu thập nhanh hơn, dẫn đến một lượng lớn dữ liệu hình ảnh thô, chất lượng cao phải được xử lý kịp thời và đúng cách, nhằm đạt được kết quả chẩn đoán chính xác. Một trong các tiến bộ nổi bật của khoa học công nghệ trong ứng dụng xử lý ảnh y tế, đó là sự phát triển của GPU (Graphics Processing Units). 8 Các đơn vị xử lý đồ họa (GPU) ngày nay được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chủ yếu là do chúng có thể tăng tốc đáng kể tính toán song song, giá cả phải chăng và tiết kiệm năng lượng.
Trong lĩnh vực xử lý ảnh y tế, GPU rất quan trọng khi các ứng dụng xử lý ảnh đòi hỏi quá trình tính toán các thuật toán phức tạp [26]. Ảnh y tế và kỹ thuật cơ bản trong xử lý ảnh y tế 1. Các loại ảnh y tế phổ biến trong chẩn đoán hình ảnh Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều phương pháp được sử dụng để thu thập các hình ảnh y tế, phù hợp cho các bộ phận khác nhau trên cơ thể con người, đặc điểm của một số loại ảnh y tế phổ biến như sau [27]: 1. Ảnh X-quang Kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh chụp X-quang rất phổ biến và được thực hiện tại các cơ sở y tế có đủ điều kiện cơ sở để thực hiện kỹ thuật này.
Kỹ thuật này được thực hiện cho nhiều mục đích như chẩn đoán nguyên nhân và xác định mức độ chấn thương, kiểm tra sự tiến triển của bệnh và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị. Phần cơ thể cần chụp sẽ được đặt giữa máy chụp X-quang và tấm phim chụp ảnh hoặc cảm biến X-quang kỹ thuật số. Người bệnh được giữ yên vị trí trong khi máy phát sóng điện từ (bức xạ) đi qua cơ thể, để lộ hình ảnh phản ánh cấu trúc bên trong cơ thể. Đây là phương pháp đơn giản và sớm nhất mà các bác sĩ chẩn đoán hình ảnh được trang bị để chẩn đoán các bệnh lý liên quan đến xương khớp và tầm soát ban đầu các bệnh lý ở phổi thông qua chụp X-quang ngực.
Ảnh siêu âm Siêu âm được sử dụng để chụp hình ảnh từ bên trong cơ thể, bằng cách sử dụng sóng âm tần số cao ở các mô mềm như nội tạng và mạch máu. Đối với các trường hợp cần hạn chế tiếp xúc với chất phóng xạ, thì siêu âm là lựa chọn tốt để kiểm tra. Đây là phương pháp có tính linh động rất cao. Không như các kỹ thuật khác phải có sự phối hợp của các kỹ thuật viên, siêu âm hoạt động khá độc lập bởi bác sĩ chẩn đoán hình ảnh.
Siêu âm khảo sát tốt các bệnh lý ổ bụng, vùng cổ. Siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán các bệnh lý tim mạch, tuyến giáp, tuyến vú, theo 9 dõi thai kỳ… Một nhược điểm của ảnh siêu âm là chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào kỹ năng của người siêu âm và không áp dụng được ở vùng có xương và khí. Ảnh CT – Scan cắt lớp điện toán Phương pháp cắt lớp điện toán là một loại kỹ thuật được phát triển từ kỹ thuật chụp X-quang, CT-Scan có khả năng cung cấp nhiều thông tin hơn so với chụp X- quang. CT-Scan có thể được áp dụng đối với tất cả các bộ phận của cơ thể, bao gồm ngực, bụng, xương, tủy sống và cả các cơ quan nội tạng như gan, ruột, tuyến tụy, bàng quang, tim phổi.
Kỹ thuật CT đem đến rất nhiều thông tin hữu ích cho bác sĩ chẩn đoán hình ảnh trong các ca bệnh nhập viện vì cấp cứu như chấn thương, đột quỵ. So với siêu âm và MRI thì kỹ thuật CT chiếm ưu thế hơn trong việc khảo sát bệnh lý thuộc lồng ngực, đặc biệt là các tổn thương trong phổi. (a) X-quang xương (b) CT gan (c) MRI não (d) Siêu âm tim Hình 1. Hình ảnh y tế cơ bản và ứng dụng [28] 4.
Ảnh MRI – Cộng hưởng từ Được xem là kỹ thuật hiện đại và phát triển nhảy vọt không kém gì CT, MRI là phương pháp có tính cạnh tranh rất lớn vì tính an toàn về bức xạ, không sử dụng tia X, MRI phát huy hiệu quả trong các bệnh lý thuộc hệ thần kinh trung ương, gan mật, tim mạch, vú, các bệnh lý vùng chậu và hệ cơ xương khớp khi so với các loại kỹ thuật khác về mức độ cung cấp thông tin. Máy MRI tạo ra từ trường xung quanh người bệnh và sau đó phát sóng vô tuyến đến khu vực của cơ thể cần được kiểm tra. Một máy tính được sử dụng để ghi lại chuyển động của các bộ phận khác nhau như gân, dây chằng, dây thần kinh,. và chuyển dữ liệu thành hình ảnh hai chiều.
Kỹ thuật cơ bản trong xử lý ảnh y tế Theo như những kết quả trình bày trong nghiên cứu trước đây [29], xử lý hình ảnh y tế đã trải qua quá trình mở rộng đáng kể và là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành thu hút chuyên môn từ toán học ứng dụng, khoa học máy tính, điện tử y sinh và y học. Các kỹ thuật chẩn đoán có sự hỗ trợ của máy tính đã trở thành một phần quan trọng của chẩn đoán lâm sàng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ cao và việc ứng dụng các phương thức hình ảnh khác nhau, một thách thức đặt ra là làm thế nào để xử lý và phân tích một lượng lớn hình ảnh để có thể tạo ra thông tin chất lượng cao cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh.