BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH NGỌC TÙNG TĂNG CƯỜNG ẢNH Y TẾ BẰNG CÁCH TỐI ƯU THÔNG TIN CẤU TRÚC ẢNH VÀ SAI SỐ VỀ MỨC NĂNG LƯỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ TRỊNH NGỌC TÙNG TĂNG CƢỜNG ẢNH Y TẾ BẰNG CÁCH TỐI ƢU THÔNG TIN CẤU TRÚC ẢNH VÀ SAI SỐ VỀ MỨC NĂNG LƢỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 8520203 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MẠNH HÙNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2022 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ và tên: TRỊNH NGỌC TÙNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17/03/1986 Nơi sinh: Thanh Hóa Quê quán: Yên Thọ - Yên Định - Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Trợ lý - Phòng Đào tạo, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Hải quân.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 56/7/20 đường số 147, Phường Phước Long B, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: 069 641722 Điện thoại nhà riêng: 0976336424 E-mail: Trinhngoctung1986@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 09/2004 đến 10/2010 Nơi học (trường, thành phố): Học viện Kỹ thuật Quân sự - Hà Nội.
Ngành học: Điện - Điện tử Tên đồ án: Nghiên cứu, ứng dụng công cụ Anadigm Designer trong thiết kế mạch điện sử dụng công nghệ FPAA. Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Tháng 7 năm 2010 - Học viện Kỹ thuật Quân sự - Hà Nội. Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Văn Thuấn. Thạc sỹ: Hệ đào tạo: Chính quy tập trung Thời gian đào tạo: từ 04/2019 đến 5/2022 i Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thành phố Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ thuật Điện tử Tên Luận văn: Tăng cường ảnh y tế bằng cách tối ưu thông tin cấu trúc ảnh và sai số về mức năng lượng. Ngày và nơi bảo vệ luận văn: Ngày 28 tháng 5 năm 2022 - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thành phố Hồ Chí Minh. Người hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Mạnh Hùng. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh, trình độ B1.
Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Kỹ sư Số bằng : 00119681 Ngày cấp: 20/8/2010 Nơi cấp: Học viện Kỹ thuật Quân sự III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2010 đến Tàu HQ17 - Lữ Đoàn 171 - Vùng 2 Hải Tập sự trưởng ngành 01/2012 Quân - Quân Chủng Hải Quân 02/2012 đến Tàu HQ273 - Lữ Đoàn 171 - Vùng 2 Hải Trưởng ngành 01/2013 Quân - Quân Chủng Hải Quân 02/2013 đến Khoa Thông tin - Ra đa, Trường TCKT Giáo viên 03/2016 Hải quân, Quận 2, TP.HCM 04/2016 đến Phòng Đào tạo - Trường Cao đẳng Kỹ Trợ lý nay thuật Hải quân, TP Thủ Đức, TP.HCM ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn “Tăng cường ảnh y tế bằng cách tối ưu thông tin cấu trúc ảnh và sai số về mức năng lượng” là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các kết quả được trình bày trong luận văn trung thực và chưa từng công bố trong một công trình nào khác. Tác giả xin cam đoan rằng các thông tin được trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc.
Hồ Chí Minh, ngày … tháng 5 năm 2022 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trịnh Ngọc Tùng iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận văn này, lời đầu tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các giảng viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các giảng viên trong Khoa Điện - Điện tử nói riêng, những người đã giúp đỡ tôi trang bị những kiến thức nền tảng và chuyên ngành bổ ích, giúp tôi có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập tại Nhà trường. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Mạnh Hùng đã đưa ra những định hướng nghiên cứu, cũng như việc phản hồi các kết quả nghiên cứu trong thời gian qua. Trong thời gian làm việc với Thầy, tôi đã không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức mới, tiếp cận được với nhiều công nghệ mới, tiên tiến, hiệu quả và rèn luyện được thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, đây là điều rất quan trọng trong quá trình học tập và công tác sau này. Đồng thời tôi cũng gửi lời cảm ơn tới bạn bè, các anh chị em trong Khoa Điện - Điện tử đã góp ý, chia sẻ kinh nghiệm, hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận văn này.
Đặc biệt tác giả gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong nhóm nghiên cứu chung gồm Võ Ngọc Thẩm, Trần Thị Quỳnh Như và Lý Kim Hoanh đã hỗ trợ hoàn thành các thí nghiệm được sử dụng trong luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày tháng 5 năm 2022 Tác giả luận văn Trịnh Ngọc Tùng iv CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh Phúc XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (V.v cho phép học viên sử dụng một số nội dung trong bài báo khoa học được thực hiện bởi Nhóm nghiên cứu do Giảng viên hướng dẫn thực hiện) Họ và tên học viên: Trịnh Ngọc Tùng MSHV: 1920708 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Khóa: 2019A Tên đề tài nghiên cứu: Tăng cường ảnh y tế bằng cách tối ưu thông tin cấu trúc ảnh và sai số về mức năng lượng. Ngày bảo vệ: 28 tháng 5 năm 2022. Tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm Luận văn tốt nghiệp, tôi cũng là thành viên trong nhóm nghiên cứu của Thầy Nguyễn Mạnh Hùng, để thực hiện nghiên cứu về đề tài "Structure preserving in medical image enhancement", tuy nhiên do tôi không đứng tên trên bài báo khi được xuất bản. Vì vậy khi thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình, tôi đã xin phép Thầy Nguyễn Mạnh Hùng và nhóm nghiên cứu để sử dụng một số kết quả nghiên cứu trong luận văn của tôi. Được sự cho phép của giảng viên hướng dẫn - Tiến sỹ Nguyễn Mạnh Hùng và nhóm nghiên cứu, cho phép tôi được sử dụng một số kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu trong bài báo "Structure preserving in medical image enhancement" đăng trên tạp chí ICSSE Năm 2021 để sử dụng trong Luận văn tốt nghiệp. Trong luận văn của này, trên cơ sở kế thừa phương pháp tăng cường ảnh được thực hiện trong bài báo trên, tôi sử dụng hình ảnh được tăng cường để huấn luyện mô hình phân loại bệnh điều đó tạo ra kết quả phân loại tốt hơn so với khi chưa tăng cường.
Hơn thế nữa, khi tập dữ liệu chứa nhiều loại bệnh trong cùng một khung ảnh v phổi, việc tăng cường ảnh cho phép các mô hình hỗ trợ nhận ra các vùng tổn thương ngay cả khi các nhãn tổn thương đó không được sử dụng để huấn luyện mô hình. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Mạnh Hùng và nhóm nghiên cứu! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2022 Giảng viên hƣớng dẫn Ngƣời thực hiện (Ký & ghi rõ học tên) (Ký & ghi rõ học tên) Tiến sỹ Nguyễn Mạnh Hùng Trịnh Ngọc Tùng vi ABSTRACT This thesis applies an enhancement method to X-ray images to gain a better contrast while preserving valuable information from the original image. This property allows a doctor to observe the image in detail; also, the computer can support a doctor better.
Unlike conventional methods that only focus on image contrast, this method models the mass information of an x-ray image by locally maximum value; relations among neighboring pixels model the structure information. The enhancement process will be formulated as an optimization process using a cost function that includes two components corresponding with mass information and structure information. As a result, the method can gain a better contrast while preserving valuable information. The experimental result is separated into two parts.
The first part focus on contrast, mass information, and structure information of enhanced images. The result shows that the method performs better in enhancing the quality and reversing valuable information. Moreover, the method is less sensitive to control parameters and is very efficient. The second part proves the benefit of this method in terms of how a computer can support a doctor in a better manner.
We use the technique to enhance images in the VinDr-CXR dataset. Later, a deep neural network is used for classification. The result shows that the enhancement process can improve the classification result. Moreover, when multi-damped areas co-occur on a single image, the enhancement method can detect more damped regions that were not used during the training process.
Key words: X-ray enhancement, tone mapping, high dynamic range. vii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, một phương pháp tăng cường ảnh x-quang sẽ được sử dụng nhằm tạo ra ảnh được tăng cường có độ tương phản tốt và bảo toàn các thông tin của ảnh gốc. Việc này cho phép các bác sỹ có thể quan sát các chi tiết của ảnh rõ hơn đồng thời các phần mềm máy tính có đủ thông tin để đưa ra các quyết định hỗ trợ bác sỹ tốt hơn. Khác với các phương pháp tăng cường ảnh truyền thống chỉ tập trung vào độ tương phản của ảnh.
Phương pháp này sử dụng giá trị lớn nhất của một vùng lân cận để mô tả thông tin khối lượng của các vùng mô cơ, và sự liên kết giữa các điểm ảnh để mô tả thông tin cấu trúc của ảnh gốc. Bằng cách sử dụng một hàm mục tiêu chứa hai thành phần tương ứng với thông tin khối lượng và thông tin cấu trúc, bài toán tăng cường ảnh sẽ được mô tả thành bài toán tìm nghiệm tối ưu của hàm mục tiêu. Từ đó có thể tạo ra những ảnh có độ tương phản tốt trong khi vẫn bảo toàn được thông tin khối lượng và cấu trúc của ảnh. Kết quả thí nghiệm được chia thành hai phần.
Phần thứ nhất tập trung phân tích kết quả tăng cường ảnh dưới dạng các thông số đánh giá về độ tương phản, độ bảo toàn thông tin khối lượng và độ bảo toàn thông tin cấu trúc. Kết quả thí nghiệm trong phần này cho thấy phương pháp tăng cường ảnh được lựa chọn có chất lượng tốt hơn các phương pháp truyền thống cả về độ tương phản lẫn khả năng duy trì thông tin của ảnh gốc. Không những thế, phương pháp được chọn còn ít nhạy với tham số điều khiển và có tốc độ xử lý nhanh.