MỞ ĐẦU Trong y khoa, xử lý ảnh đang được ứng dụng một cách rộng rãi và đem lại nhiều kết quả khả quan. Các nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý ảnh để tìm các loại bệnh cũng trở nên nhiều hơn. Bệnh võng mạc là bệnh đứng thứ hai trong nhóm bệnh gây mù lòa sau đục thủy tinh thể. Vì vậy, từ những nghiên cứu, bài báo khoa học có sẵn, luận văn này nhằm mục đích tìm hiểu nghiên cứu thêm phương pháp phân đoạn mạch máu trong ảnh võng mạc mắt.
Việc này rất có ý nghĩa trong việc phát hiện các bất thường trong võng mạc mắt nhằm sớm phát hiện các bệnh thường gặp như võng mạc tiểu đường, võng mạc tăng huyết áp,… Nội dung chính của luận văn này là tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp phân đoạn mạch máu từ đó hiện thực được ứng dụng giúp phân đoạn mạch máu trong ảnh võng mạc mắt. Cơ sở lý thuyết về quy trình xử lý ảnh, các phương pháp phân đoạn ảnh và một vài công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài được trình bày trong chương 2. Trong chương 3, phương pháp phân đoạn mạch máu và phát hiện tổn thương sáng trong ảnh võng mạc mắt được đề xuất, ở cuối chương này, phương pháp đánh giá phương pháp cũng được đưa ra. Phần hiện thực và thí nghiệm được trình bày trong chương IV.
Cuối cùng là phần kết luận về những kết quả đạt được và ưu nhược điểm của phương pháp cũng như hướng phát triển trong tương lai của đề tài. Giới thiệu đề tài Ảnh võng mạc mắt rất hữu ích cho việc chẩn đoán và điều trị những bệnh như: tăng huyết áp, bệnh đái tháo đường, thận,… Các bệnh trên đều nguy hiểm, nhưng theo tổ chức y tế thế giới, bệnh đái tháo đường (glycosuria) là đang gia tăng nhanh chóng trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, số người mắc đái tháo đường chiếm khoảng 5,4% dân số (với hơn 5 triệu người mắc) xếp hàng đầu thế giới (GS Thái Hồng Quang – Chủ tịch Hội Nội tiết và Đái tháo đường Việt Nam – 2017). Nếu không được điều trị, các biến chứng thường gặp sống chung với bệnh tiểu đường là bệnh tim mạch, bệnh thận, cắt bỏ phần dưới tay, chân, bệnh về răng, bệnh tâm thần (trầm cảm)… Trong đó có các biến chứng về mắt như đục thủy tinh thể, glôcôm, tật khúc xạ… nhưng biến chứng chính và nghiêm trọng nhất là bệnh võng mạc đái tháo đường.
Một trong những chẩn đoán liên quan đến bệnh này là thông qua ảnh võng mạc mắt. Khi một bệnh nhân bị bệnh đái tháo đường, các mạch máu trong võng mạc mắt bị tăng kích thước đột biến do tăng huyết áp (một biến chứng của bệnh đái tháo đường). Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ chế tạo, các bác sĩ chuyên khoa, với sự hỗ trợ của các nhân viên y tế và máy móc thiết bị dùng trong y khoa mang đến hiệu quả cao trong việc khám và chữa các bệnh về mắt. Máy tính hỗ trợ tự động phát hiện ra các dạng bệnh về mắt bằng cách quét nhanh các bức ảnh võng mạc.
Để góp phần hỗ trợ chẩn đoán bệnh, tôi chọn đề tài “Phân đoạn ảnh võng mạc mắt dựa trên phương pháp máy học” để làm rõ các mạch máu trong ảnh võng mạc mắt từ đó phát hiện bất thường tổn thương sáng trên ảnh võng mạc nhằm làm tiền đề hỗ trợ cho bác sĩ trong chẩn đoán bệnh. Mục tiêu và nội dung đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu phương pháp phân đoạn mạch máu trong ảnh võng mạc mắt. Kết quả của đề tài làm tiền đề để phát hiện một số bất thường trong ảnh võng 3 mạc mắt giúp phát hiện và điều trị kịp thời những bệnh võng mạc mắt. Để đạt được mục tiêu trên, đề tài sẽ thực hiện các công việc sau đây: (i) Phân tích yêu cầu bài toán.
(ii) Tìm hiểu các công trình nghiên cứu liên quan và phân tích ưu, nhược điểm của chúng. (iii) Đề xuất phương pháp phân đoạn ảnh võng mạc mắt sử dụng vào phát hiện tổn thương sáng nhằm hỗ trợ chẩn đoán bệnh dựa trên ảnh võng mạc mắt. (iv) Hiện thực và so sánh kết quả với phương pháp khác. Thách thức của đề tài Mặc dù đã có nhiều phương pháp cho phân đoạn ảnh võng mạc mắt được đề xuất, tuy nhiên vẫn còn tồn tại rất nhiều hạn chế và những hạn chế này cũng chính là thách thức của đề tài, chẳng hạn như: phân đoạn kém trong sự hiện diện của phản xạ ánh sáng trung tâm mạch máu hay tại các khu vực phân nhánh và bắt chéo, sự hợp nhất của các mạch gần, thiếu các mạch nhỏ, phát hiện mạch sai ở vùng điểm mù và vùng bệnh lý,… 1.
Giới hạn đề tài Trong đề tài này, loại ảnh được sử dụng để xử lý là ảnh soi đáy mắt có chất lượng tương đối tốt. Không thực hiện trên ảnh mờ, nhiễu. Bộ ảnh dữ liệu thử nghiệm là bộ dữ liệu mà các nhà nghiên cứu trên thế giới đã và đang sử dụng (DRIVE dataset [1] và STARE dataset [21]). Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài, các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được sử dụng: Phương pháp khảo sát, phân tích đánh giá các phương pháp đã có thông qua tìm hiểu các nghiên cứu liên quan đến việc phát hiện và phân đoạn các mạch máu võng mạc, từ đó nắm bắt ý tưởng chính, phân tích các ưu và khuyết điểm của từng phương pháp.
4 Phương pháp tổng hợp và mô hình hoá: tổng hợp, trực quan hoá các đề xuất trong các nghiên cứu thành mô hình logic rõ ràng cho phương pháp của đề tài. Phương pháp thử và sai: thử nghiệm mô hình đề xuất trên bộ dữ liệu DRIVE và STARE để kiểm chứng và lựa chọn mô hình có tính khả thi. Cấu trúc luận văn Luận văn này được chia thành năm chương có cấu trúc như sau: Chƣơng 1: Giới thiệu. Nội dung chương này là tổng quan về vấn đề nghiên cứu, mục tiêu và nội dung mà đề tài hướng đến.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan. Trình bày về những kiến thức cơ bản có liên quan trong đề tài như quy trình xử lý ảnh, các phương pháp phân đoạn,. Bên cạnh đó, tóm tắt của một số nghiên cứu khác có liên quan đến đề tài cũng được trình bày. Chƣơng 3: Phƣơng pháp phân đoạn mạch máu trong ảnh võng mạc mắt.
Trong chương này, toàn bộ phương pháp đề xuất cho việc phân đoạn và phát hiện tổn thương sáng được trình bày chi tiết trong từng bước và phương pháp để đánh giá kết quả đạt được cũng được trình bày. Chƣơng 4: Hiện thực và đánh giá kết quả. Trình bày các nội dung như tập dữ liệu thử nghiệm, độ chính xác, độ nhạy, độ đặc hiệu mà phương pháp đề xuất đạt được,… có so sánh với một số phương pháp khác trong phần các nghiên cứu liên quan. Chƣơng 5: Kết luận.
Tổng kết toàn bộ đề tài với những ưu nhược điểm của phương pháp, ý nghĩa đóng góp của phương pháp đề xuất trong nghiên cứu khoa học cũng như thực tiễn cuộc sống, hướng phát triển trong tương lai của đề tài. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2. Ảnh y khoa và ảnh võng mạc mắt Ảnh y khoa là các hình ảnh cơ thể con người được chụp lại nhờ những máy móc, trang thiết bị hiện đại nhằm hỗ trợ bác sĩ trong việc đưa ra những chẩn đoán, quyết định y khoa một cách dễ dàng và chính xác. Kỹ thuật chụp ảnh y khoa bao gồm chụp X-quang, chụp cắt lớp CT (Computed Tomography), chụp cộng hưởng từ MRI (Magnetic Resonance Imaging),… Hình 2.1 là một ví dụ về ảnh y khoa phổ biến hiện nay.a là hình ảnh X-quang ngực, hình 2.b là hình ảnh siêu âm tim thai.
a) Ảnh X-quang ngực b) Ảnh siêu âm tim thai Hình 0. Ảnh y khoa [2] Võng mạc (retina) là một bộ phận quan trọng nhất của mắt, có nhiệm vụ tiếp nhận và dẫn truyền xung thị giác đến não. Phần trung tâm của võng mạc là một cấu trúc nhạy cảm gọi là hoàng điểm (macula). Trung tâm của hoàng điểm là lõm (fovea).
Võng mạc chứa nhiều hệ thống mạch máu. Các bệnh lý đái tháo đường, tăng huyết áp,… gây ra những bất thường như tắt nghẽn, rò rỉ,… trong hệ thống này chính là nguyên nhân gây ra bệnh, khiến người bệnh có thể giảm thị lực hoặc mù hoàn toàn. Cấu tạo của đáy mắt gồm võng mạc (nơi ánh sáng và hình ảnh chiếu vào), đĩa thị giác (optic disc, một điểm trên võng mạc giữ dây thần kinh thị giác, gửi thông tin đến não) và mạch máu. Ảnh soi đáy mắt (fundus images) là ảnh màu kỹ thuật số mặt sau của mắt.
Đây là nguồn tài liệu quan trọng giúp các bác sĩ 6 nhãn khoa phát hiện các tổn thương trên võng mạc mắt, chẳng hạn như thoái hóa võng mạc, bong võng mạc, xuất huyết võng mạc,. Cấu trúc võng mạc được biểu thị ở hình 2.3 là một ví dụ minh họa về hình ảnh võng mạc của người mắc bệnh đái tháo đường. Trong đó xuất huyết nhỏ và phình mao mạch được thể hiện trong hình 2.a, xuất huyết lan tỏa nhiều được thể hiện trong hình 2. Hoàng điểm Đĩa thị giác Các mạch máu Hình 0.
Hình soi đáy mắt [3] a) Xuất huyết nhỏ và phình mao mạch b) Xuất huyết lan tỏa nhiều Hình 0. Ảnh võng mạc bệnh nhân đái tháo đƣờng [4] 2. Một số bất thƣờng và tổn thƣơng võng mạc Hình 0. Xuất tiết cứng [22] Xuất tiết cứng (hard exudates) là bệnh võng mạc với những đốm màu vàng như vẩy nến, có thể sắp xếp theo hình nan hoa lan tỏa ra quanh hoàng điểm hoặc tập trung lại tạo nên một đám thâm nhiễm lớn được thể hiện như hình 2.
7 Xuất tiết cứng còn được gọi là xuất tiết lipit nội võng mạc (intra-retinal lipid exudates) vì cơ chế hình thành thường do rò rỉ lipit và prôtêin từ các mao mạch bị phình. Sự kết tủa lipit dẫn tới sự hình thành của xuất tiết võng mạc. Xuất tiết mềm (soft exudates) còn gọi là là cotton wool spots vì có dạng như các nốt bông trắng nằm nông che lấp các mạch máu hay nằm gần các mạch máu lớn (hình 2.5), do hoại tử sợi trục cùng các sản phẩm ở bào tương tích tụ lại. Xuất tiết mềm [22] Tích tụ mỡ (drusen) là một dấu hiệu của thoái hóa điểm vàng, dạng các khối màu vàng nằm bên dưới võng mạc (hình 2.6) do lipit, prôtêin béo bị rò rỉ ra và kẹt phía dưới võng mạc.
Tích tụ mỡ [22] Hình 0.