Chương 1: Cơ sở và tổng quan; Chương 2: Khử nhiễu anh CT liều thấp sử dụng biểu diễn thưa; Chương 3: Khử nhiễu ảnh CT liều thấp sử dụng mạng nơ-ron tích chập (CNN). Trong đó các phương pháp triển khai trong chương 2 hướng 14 tới kịch bản cơ sở dữ liệu ảnh CT và các điều kiện khác còn hạn chế. Ưu điểm của các phương pháp sử dung trong chương 2 là cần lượng dif liệu nhỏ và có thể thực hiện được trong điều kiện hạn chế về phần cứng. Các phương pháp trong chương 3 được thực hiện trong kịch bản có tập dữ liệu lớn các ảnh y tế cũng như đủ điều kiện về phần cứng để làm thực nghiệm.
CƠ SỞ VÀ TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Hầu hết các hệ thống tạo ảnh y tế được sử dụng để quan sát các bộ phận bên trong cơ thể người. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc thăm khám, chẩn đoán, điều trị bệnh. Sự tiến bộ nhanh chóng của kỹ thuật tao ảnh y tế và sự phát triển các phương pháp phân tích, chẩn đoán với sự trợ giúp của máy tính làm cho kỹ thuật hình ảnh y tế trở thành một trong những lĩnh vực rất quan trọng trong khoa học về hình ảnh [24].
Cùng với việc ứng dụng ngày càng rộng rãi kỹ thuật hình ảnh trong lĩnh vực y tế, chất lượng của ảnh y tế trở thành một vấn dé quan trọng. Sự xuất hiện của các công nghệ tao ảnh y tế ví dụ như CT (Computed Tomography), SPECT (Single- photon Emission Computed Tomography), PET (Positron Emission Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), US (Ultra Sound) đã tao ra một cuộc cách mạng cho nền y học hiện đại. Mặc dù những công nghệ tiên tiến được áp dụng trong thu thập tín hiệu, những thuật toán tạo ảnh hiệu quả được sử dụng, chất lượng hình ảnh y tế vẫn thường bị ảnh hưởng bởi độ phân giải, độ tương phản, nhiễu và các yếu tố giả trong quá trình thu nhận, truyền, và xử lý dữ liệu ảnh [66]. Những yếu tố này gây ra nhiều khó khăn trong việc phân tích hoặc trích xuất các thông tin hữu ích từ hình ảnh y tế và do đó có thể ảnh hưởng nghiêm trọng tới sự chính xác trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.
Dé tăng độ chính xác, hạn chế những nhầm lẫn trong chẩn đoán, cần thiết phải có những phương pháp xử lý ảnh hiệu quả nhằm có được các hình ảnh chất lượng tốt hơn và đáng tin cậy hơn. Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để tác động lên các yếu tố trên với mục đích nâng cao chất lượng hình ảnh y tế. Các kỹ thuật này có thể được chia thành 2 nhóm tương ứng với hai cách tiếp cận khác nhau: s Cac kỹ thuật tác động trước và trong quá trình tạo ảnh. s Các kỹ thuật tác động sau quá trình tạo ảnh.
16 Do sự khó khăn trong tiếp cận dữ liệu tạo ảnh nên hầu hết các công trình nghiên cứu tập trung phát triển các kỹ thuật tác động sau quá trình tạo ảnh. Luận án tập trung nghiên cứu phát triển các phương pháp khử nhiễu ảnh CT liều thấp nên chương này chủ yếu để cập đến những nội dung liên quan đến ảnh CT và khử nhiễu ảnh. Anh CT và vấn đề khử nhiễu ảnh CT 1. Kỹ thuật tạo ảnh CT Ngày này, kỹ thuật tạo ảnh CT đã trở thành một một trong những kỹ thuật quan trọng trong y tế.
Nó khắc phục được các hạn chế của kỹ thuật chụp X-Quang thường quy như hiện tượng xếp chồng hình ảnh của các bộ phận lên nhau v. So với chụp X-Quang thường quy, kỹ thuật chụp CT chính xác hơn vì nó áp dụng lý thuyết toán học vào việc tạo ảnh của đối tượng từ các hình chiếu của đối tượng ở nhiều góc chiếu tia X khác nhau. Trong kỹ thuật chụp CT, máy tính đóng vai trò quan trọng, nó xử lý thông tin nhận từ các bộ dò các tia X được chiếu xuyên qua vùng cần tạo ảnh. Chụp CT có một số điểm mạnh như tốc độ, độ chính xác, thời gian quét v.
Kỹ thuật tạo ảnh CT cho phép tạo ảnh của các lát cắt ngang cơ thể. Hệ thống tạo ảnh này phức tạp hơn nhiều so với hệ thống tạo ảnh X-quang, hình ảnh không được tạo ra trực tiếp trên phim (thiết bị thu nhận) giống như trong tạo ảnh X-quang chiếu mà phải qua quá trình tính toán dé dựng ảnh dựa trên những dif liệu thu thập được từ các cảm biến. Các giai đoạn chính để tạo ra ảnh CT gồm: quét, dựng ảnh, chuyển đổi số tương tự. Giai đoạn quét ảnh: giai đoạn này để thu thập dữ liệu thông qua cặp phát-thu tia X.
Bộ phận thu và bộ phận phát được sắp đặt trên một quỹ đạo đường tròn như hình 1. Giai đoạn dựng ảnh: dif liệu thu được từ các đầu đò sau khi quét xong chưa phải là dữ liệu hình ảnh, để tạo ra dữ liệu hình ảnh cần phải xử lý dữ liệu này bằng chương trình dựng ảnh. Đầu ra của chương trình dựng ảnh là dữ liệu hình ảnh. Để hiển thị ảnh cần chuyển đổi dữ liệu này sang dạng tín hiệu tương tự ở giai đoạn chuyển đổi số - tương tự.
Các giai đoạn tạo anh CT được mô tả như hình vẽ 1. Trong pha quét, một chùm tia X hình đẻ quạt được quét quanh cơ thể. Khi chùm tia X được chiếu xuyên qua cơ thể với các góc khác nhau, chúng bị suy giảm với mức độ khác nhau tùy vào mật độ vật chat của khu vực mà nó xuyên qua. Các bộ dd nằm 17 Detectors IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIHIHIIII #—————®%4x05————— + Hình 1.
Minh hoa dau phát và các đầu dò tương ứng trong máy chụp CT 64 dãy (nguén: https://thietbiyte 1.com/2019/05/03/may-ct-64-day/-ngay truy nhập 11/01/2022) DIGITAL / ANALOG CONVERSION CT Teepe i SCAN DATA } RECONSTRUCTION Inn Hình 1. Các giai đoạn tạo anh CT (nguén: https://slidetodoc.com/matikka-fysiikka- kemia-ihmiskehon-anatomia-jukka-jauhiainen-oamk/-ngay truy nhap 11/01/2022) ở phía đối diện với nguồn phat tia X qua cơ thé sẽ đón các tia X này và chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện sau đó được số hóa nhờ bộ chuyển đổi ADC cho ta các ma trận của các con số (dữ liệu thô). Dữ liệu thô này (những ma trận thu được từ các góc khác nhau) sau đó được sử dụng để dựng ảnh thông qua việc sử dụng phép biến đổi Radon.
Nguyên lý chiếu ngược là nguyên lý được sử dụng phổ biến trong tạo ảnh CT. Giai đoạn quét (nguồn: https://slidetodoc.com/matikka-fysiikka-kemia- ihmiskehon-anatomia-jukka-jauhiainen-oamk/-ngay truy nhập 11/01/2022) Phép chiếu ngược đơn giản về nguyên lý nhưng nó giải quyết thiếu chuẩn xác bài toán ngược.4 là một ví dụ minh họa việc tạo anh CT thông qua mô phỏng. Trong ví dụ này, một hình ảnh phantom (hình a) được biến đổi thành sinogram (hình b) sử dụng phép biến đổi Radon với góc 6 = 180°. Sau đó, Sinogram được biến đổi thành ảnh CT (hình c).
Để tránh hiện tượng mờ như hình người ta thường dùng phép `. s2 age R ae - g (a) (b) (c) Hình 1. Dung anh CT sử dụng biến đổi Radon lọc ngược hình chiếu. Các hình chiếu được lọc trong miền Fourier bởi một bộ lọc ví dụ như bộ lọc hình dốc (ramp) trước khi được sử dung ở các bước tiếp theo.5 mô tả một ví dụ về tái tạo sử dụng phép chiếu ngược.
Dựng ảnh sử dụng phép chiếu ngược (a) ảnh phantom, (b) ảnh được dựng không sử dụng loc, và (c) ảnh được dựng có sử dụng lọc. 19 Ảnh CT được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị. Tuy nhiên, do kỹ thuật tạo ảnh này sử dụng phóng xạ X để thu nhận và tạo ra các hình ảnh CT theo lát cắt ngang của cơ thể, nên bệnh nhân và người vận hành có thể phải đối mặt với những nguy hiểm khi liều lượng tia X cao ví dụ như có thể gây ảnh hưởng đến gen, gây ung thư và các bệnh khác. Do đó, việc giảm liều lượng phóng xạ càng nhiều càng tốt trong khi vẫn bảo tồn được chất lượng hình ảnh phục vụ việc chẩn đoán là việc rất quan trọng.
Tuy nhiên, quan sát hình 1.6 ta thấy việc giảm liều lượng phóng xạ X sẽ làm tăng nhiễu trong ảnh và có thể ảnh hưởng tới các thông tin chẩn đoán quan trọng. Điều này thúc đẩy các nỗ lực trong cộng đồng nghiên cứu về ảnh CT để phát triển các phương pháp xử lý ảnh có thể cải thiện chất lượng ảnh của ảnh CT liều thấp (LDCT: Low Dose Computed Tomography). (a) Liều thường (b) Liều thấp Hình 1. Ảnh CT vùng gan ở cùng vị trí với liều lượng phóng xạ X bình thường và liều lượng thấp [58].
Các yếu tô chính ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh CT Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh CT trong đó có một vài yếu tố chính sau [22]: * Mo: Ảnh CT có thể bị mờ do nhiều nguyên nhân như việc thiết lập các thông số vận hành, các cử động của bệnh nhân, các giải thuật lọc hoặc việc thiết lập thông số không phù hợp cho các giải thuật lọc để khử nhiễu cho ảnh v. * Trường quan sát (FOV: Field of View): La vùng được lựa chọn dé tạo anh CT. 20 Nếu ảnh CT quá nhỏ hoặc quá lớn sẽ gây khó khăn cho việc tìm ra những bất thường trong ảnh. Yếu tố giả (artifacts): Là những biến dạng hoặc lỗi trong ảnh và không liên quan đến đối tượng được tạo ảnh, là biểu hiện của sự sai khác giữa số CT thực tế với số CT mong đợi.
Có một số yêu tố giả phổ biến là: yếu tố giả do chùm tia mạnh lên (beam-hardening artifact), yếu tố giả do kim loại gây ra (metal artifact), yếu tố giả do cử động của bệnh nhân, yếu tố giả do phần cứng hoặc phần mềm của hệ thống tạo ảnh. Nhiễu thị giác (visual noise): Nhiễu thị giác là những thông tin không mong muốn làm giảm hiệu ứng thị giác của ảnh. Nhiéu trong ảnh CT xuất hiện do nhiều nguyên nhân khác nhau như do quá trình thu nhận, do quá trình truyền ảnh, do lỗi tính toán toán học, do sự biến thiên các hệ số suy giảm giữa các voxel. Nhiễu thị giác ảnh hưởng đến chất lượng quan sát đặc biệt là những đối tượng độ tương phản thấp.
Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn tới nhiễu trong anh CT, trong đó có liều bức xạ là một trong những yếu tô chính. Việc giảm liều bức xạ làm tăng mức nhiễu và do đó làm giảm chất lượng của ảnh CT. Bộ dò (detector): Hiệu suất hình học và hiệu suất hấp thụ của các bộ dò có ảnh hưởng đến chất lượng của ảnh CT. Nếu tăng hiệu suất hình học và hiệu suất hấp thụ của bộ dò thì có thể được cải thiện chất lượng mà không cần phải tăng liều bức xa.