Luận án tiến sĩ công nghệ ký thuật điện tử viễn thông nghiên cứu và phát triển các phương pháp khử nhiễu ảnh ct liều thấp

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển phương pháp khử nhiễu ảnh CT liều thấp trong công nghệ điện tử viễn thông, nâng cao chất lượng hình ảnh.

Trường đại học

Đại học Quốc gia Hà Nội

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án

2023

114
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ VÀ TỔNG QUAN

1.1. Ảnh CT và vấn đề khử nhiễu ảnh CT

1.2. Tổng quan về các phương pháp khử nhiễu ảnh

1.3. Khử nhiễu ảnh CT liều thấp sử dụng biểu diễn thưa

1.4. Khử nhiễu ảnh CT liều thấp sử dụng mạng nơ-ron tích chập

1.5. Kết luận chương

2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU ẢNH CT LIỀU THẤP SỬ DỤNG BIỂU DIỄN THƯA

2.1. Một số khái niệm về biểu diễn thưa

2.2. Ma trận thưa và vec-tơ thưa

2.3. Chuẩn của một véctơ

2.4. Biểu diễn thưa

2.5. Ứng dụng biểu diễn thưa trong khử nhiễu ảnh

2.6. Các phương pháp đề xuất

2.7. Phương pháp liên quan MRFD

2.8. Hướng tiếp cận của các phương pháp đề xuất

2.9. Phương pháp khử nhiễu ảnh FD-SCI

2.10. Phương pháp khử nhiễu ảnh FD-SC2

2.11. Thực nghiệm đánh giá hiệu năng các phương pháp

2.12. Kết luận chương

3. CHƯƠNG 3: KHỬ NHIỄU ẢNH CT LIỀU THẤP SỬ DỤNG MẠNG NƠ- RON TÍCH CHẬP

3.1. Một số ứng dụng của mạng nơ-ron tích chập trong khử nhiễu ảnh LDCT

3.2. Các phương pháp liên quan và cơ sở hình thành các phương pháp đề xuất

3.3. Phương pháp liên quan - FFDNet

3.4. Phương pháp liên quan SAR-DRN

3.5. Cơ sở hình thành các phương pháp đề xuất

3.6. Các phương pháp đề xuất

3.7. Phương pháp FD-VGG

3.8. Phương pháp DRN-LDCT

3.9. Thực nghiệm và đánh giá

3.10. Kết luận chương

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khử nhiễu ảnh CT liều thấp

Khử nhiễu ảnh CT liều thấp (CT liều thấp) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ y tế hiện đại. Nhiễu trong ảnh CT có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hình ảnh và độ chính xác trong chẩn đoán. Việc khử nhiễu ảnh không chỉ giúp cải thiện chất lượng hình ảnh mà còn hỗ trợ bác sĩ trong việc đưa ra quyết định chính xác hơn. Các phương pháp khử nhiễu hiện nay bao gồm cả phương pháp truyền thống và các phương pháp hiện đại dựa trên học máy. Đặc biệt, việc áp dụng các kỹ thuật học sâu đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc nâng cao chất lượng ảnh y tế. Theo nghiên cứu, việc khử nhiễu ảnh CT liều thấp không chỉ giúp bảo tồn các chi tiết nhỏ mà còn giảm thiểu các yếu tố giả trong ảnh. Điều này rất quan trọng trong việc chẩn đoán các bệnh lý phức tạp.

1.1. Tầm quan trọng của khử nhiễu ảnh trong y tế

Khử nhiễu ảnh trong y tế, đặc biệt là trong ảnh CT, có vai trò cực kỳ quan trọng. Nhiễu có thể làm giảm độ chính xác của các chẩn đoán y tế, dẫn đến những quyết định sai lầm trong điều trị. Việc khử nhiễu không chỉ giúp cải thiện chất lượng hình ảnh mà còn bảo tồn các chi tiết quan trọng như mạch máu, khối u và các cấu trúc nhỏ khác. Các phương pháp khử nhiễu hiện nay đang được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực y tế. Việc áp dụng các công nghệ mới như mạng nơ-ron tích chập (công nghệ CT) đã cho thấy hiệu quả cao trong việc khử nhiễu ảnh CT liều thấp, mở ra nhiều cơ hội cho việc cải thiện chất lượng hình ảnh y tế.

II. Các phương pháp khử nhiễu ảnh CT

Có nhiều phương pháp khử nhiễu ảnh CT, từ các phương pháp truyền thống đến các phương pháp hiện đại. Các phương pháp truyền thống như bộ lọc Gauss, bộ lọc trung bình và bộ lọc trung vị thường được sử dụng để khử nhiễu. Tuy nhiên, những phương pháp này có nhược điểm là có thể làm mờ các chi tiết quan trọng trong ảnh. Ngược lại, các phương pháp hiện đại như khử nhiễu dựa trên học máy và mạng nơ-ron tích chập đã cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc bảo tồn các chi tiết nhỏ. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng ảnh mà còn giảm thiểu các yếu tố giả, từ đó nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp khử nhiễu mới, kết hợp giữa các kỹ thuật truyền thống và hiện đại để đạt được hiệu quả tối ưu.

2.1. Phương pháp khử nhiễu truyền thống

Các phương pháp khử nhiễu truyền thống như bộ lọc Gauss và bộ lọc trung vị đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý ảnh y tế. Những phương pháp này có ưu điểm là đơn giản và dễ thực hiện, nhưng thường gặp khó khăn trong việc bảo tồn các chi tiết nhỏ trong ảnh. Việc áp dụng các bộ lọc này có thể dẫn đến hiện tượng làm mờ các vùng biên và các chi tiết quan trọng, ảnh hưởng đến độ chính xác trong chẩn đoán. Do đó, cần có các phương pháp khử nhiễu hiệu quả hơn, có khả năng bảo tồn các chi tiết nhỏ và giảm thiểu các yếu tố giả. Nghiên cứu hiện tại đang tìm kiếm các giải pháp kết hợp giữa các phương pháp truyền thống và hiện đại để nâng cao chất lượng ảnh CT liều thấp.

2.2. Phương pháp khử nhiễu hiện đại

Các phương pháp khử nhiễu hiện đại, đặc biệt là những phương pháp dựa trên học máy và mạng nơ-ron tích chập, đã cho thấy hiệu quả cao trong việc khử nhiễu ảnh CT liều thấp. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng ảnh mà còn bảo tồn các chi tiết nhỏ, từ đó nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán. Việc áp dụng các mạng nơ-ron tích chập cho phép khai thác thông tin từ tập ảnh mẫu, giúp cải thiện hiệu quả khử nhiễu. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp khử nhiễu mới, kết hợp giữa các kỹ thuật truyền thống và hiện đại để đạt được hiệu quả tối ưu trong việc khử nhiễu ảnh CT liều thấp.

III. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Khử nhiễu ảnh CT liều thấp là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng với nhiều thách thức và cơ hội. Việc phát triển các phương pháp khử nhiễu hiệu quả không chỉ giúp cải thiện chất lượng hình ảnh mà còn nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán y tế. Nghiên cứu hiện tại đang hướng tới việc kết hợp giữa các phương pháp truyền thống và hiện đại, nhằm tối ưu hóa hiệu quả khử nhiễu. Triển vọng trong tương lai là phát triển các phương pháp khử nhiễu mới, có khả năng bảo tồn các chi tiết nhỏ và giảm thiểu các yếu tố giả, từ đó nâng cao chất lượng ảnh CT liều thấp. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực y tế mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới trong công nghệ xử lý ảnh.

3.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực khử nhiễu ảnh CT liều thấp sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới, kết hợp giữa các kỹ thuật truyền thống và hiện đại. Việc áp dụng các mạng nơ-ron tích chập và các phương pháp học sâu sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc nâng cao chất lượng ảnh. Nghiên cứu cũng sẽ tìm kiếm các giải pháp tối ưu hóa quy trình khử nhiễu, nhằm giảm thiểu thời gian xử lý và nâng cao hiệu quả. Điều này sẽ góp phần quan trọng trong việc cải thiện chất lượng dịch vụ y tế và nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán.

07/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Nghiên cứu phương pháp khử nhiễu ảnh CT liều thấp trong công nghệ điện tử viễn thông" tập trung vào việc cải thiện chất lượng hình ảnh CT với liều phóng xạ thấp, một vấn đề quan trọng trong y học hiện đại. Bài viết trình bày các phương pháp khử nhiễu hiệu quả, giúp nâng cao độ chính xác của chẩn đoán mà không làm tăng nguy cơ cho bệnh nhân. Điều này không chỉ mang lại lợi ích cho các bác sĩ trong việc đưa ra quyết định điều trị mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực của bức xạ lên sức khỏe người bệnh.

Để mở rộng thêm kiến thức về các ứng dụng công nghệ trong y học, bạn có thể tham khảo bài viết Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị chứng đau cổ tay do bao hoạt dịch gân bị sưng, nơi nghiên cứu ứng dụng laser trong điều trị đau. Ngoài ra, bài viết Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị đau khớp vai cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc sử dụng công nghệ laser trong điều trị các vấn đề liên quan đến khớp. Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị động kinh thùy thái dương, một nghiên cứu khác về ứng dụng laser trong điều trị bệnh lý thần kinh. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về các công nghệ tiên tiến trong y học.