Nghiên cứu phát triển giải thuật nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp - Luận án tiến sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Quang Huy NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2019 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Quang Huy NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS. Trần Đức Tân LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả đƣợc trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của cán bộ hƣớng dẫn PGS. Trần Đức Tân. Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào trƣớc đây.

Các kết quả đƣợc sử dụng để tham khảo đều đã đƣợc trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2019 Tác giả Trần Quang Huy LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống, Khoa Điện tử Viễn Thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã hoàn thành bản luận án này. Trƣớc hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. Trần Đức Tân, ngƣời thầy đã luôn tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận án.

Tôi cũng xin đƣợc cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu. Tôi xin chân thành cảm ơn cơ sở đào tạo là Phòng Đào tạo, Khoa Điện tử Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thiện chƣơng trình đào tạo. Tôi cũng xin cảm ơn đơn vị chủ quản là Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện cho phép tôi đƣợc tham gia học tập và nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và cổ vũ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn! Nghiên cứu sinh Trần Quang Huy DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt CT Computed Tomography Chụp cắt lớp điện toán US Ultrasound Siêu âm UST Ultrasound Tomography Siêu âm cắt lớp MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp ảnh cộng hƣởng từ Chụp cắt lớp bằng bức xạ PET Positron Emission Tomograpgy positron Single Photon Emission Chụp cắt lớp điện toán bằng SPECT Computed Tomography bức xạ đơn photon Phƣơng pháp lặp vi phân DBIM Distorted Born Iterative Method Born CS Compressed Sensing Lấy mẫu nén DCS Deterministic CS Lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên DF Dual Frequency Hai tần số MF Multiple Frequency Đa tần số Computerized Ultrasound Risk Đánh giá nguy hiểm sử dụng CURE Evaluation siêu âm điện toán High-resolution Ultrasonic Siêu âm cắt lớp độ phân giải HUTT Transmission Tomography cao MoM Method of Moment Phƣơng pháp moment Bài toán bình phƣơng tối LSP Least Square Problem thiểu RRE Relative Residual Error Sai số thặng dƣ tƣơng đối RoI Region of Interest Vùng quan tâm DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Ảnh chụp u lành khi siêu âm ngực Hình 1. Minh họa cấu hình hệ đo sử dụng hiệu ứng tán xạ. Việc bố trí máy phát/thu sẽ cho dữ liệu gián tiếp về đối tƣợng, áp dụng kỹ thuật tái tạo sẽ thu đƣợc là ảnh thể hiện phân bố tốc độ truyền sóng, từ đó nhận diện đƣợc đối tƣợng Hình 1.

Mặt cắt dọc hàm mục tiêu lý tƣởng (đƣờng nét liền) và hàm khôi phục (đƣờng nét đứt) sử dụng phƣơng pháp xấp xỉ Born bậc 1. Hàm mục tiêu lý tƣởng là hình trụ tròn có bán kính 5λ và các giá trị là (a) 0. Đồ thị so sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp kết hợp BIM- Interpolation-DBIM và phƣơng pháp DBIM truyền thống Hình 1. Mặt cắt dọc hàm mục tiêu lý tƣởng (hình trụ tròn có bán kính 2λ, , đƣờng nét liền) và hàm khôi phục (đƣờng nét đứt) khi giá trị mật độ thay đổi.

Cột 1: , Cột 2: , Cột 3: , Cột 4: Hình 1. Cấu hình đo đều: Các máy phát (hình sao) và máy thu (hình chữ nhật) bố trí cách đều nhau trên hệ đo Hình 1. Cấu hình đo ngẫu nhiên: Các máy phát (hình sao) bố trí cách đều nhau trên hệ đo và các máy thu (hình chữ nhật) bố trí ngẫu nhiên trên hệ đo Hình 1. Kết quả khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM: (a) ảnh khôi phục kích thƣớc 6×6 sau 1 vòng lặp; ảnh khôi phục kích thƣớc 12×12 sau 1 vòng lặp sử dụng kỹ thuật nội suy từ kết quả ở (a); (c) ảnh khôi phục kích thƣớc 12×12 sau 1 vòng lặp không sử dụng kỹ thuật nội suy; (d) và (e) lần lƣợt là ảnh khôi phục kích thƣớc 12×12 sau 4 vòng lặp không sử dụng và có sử dụng kỹ thuật nội suy Hình 1.

Kết quả khôi phục sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số: (a) Hàm mục tiêu lý tƣởng, (b) Ảnh khôi phục sử dụng tần số 2 MHz, (c) Ảnh khôi phục sử dụng tần số 1 MHz, (d) Ảnh khôi phục sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số Hình 1. Lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp BIM với phép đo đều (uniform) và BIM kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu nén (CS) Hình 1. Ảnh khôi phục vú sử dụng kỹ thuật siêu âm cắt lớp Hình 2. Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh siêu âm cắt lớp Hình 2.

Mô hình phƣơng pháp lặp vi phân Born (DBIM) Hình 2. Cấu hình hệ đo Hình 2. So sánh dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm Hình 2. So sánh dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm, sử dụng bộ lọc trung bình Hình 3.

Hàm mục tiêu lý tƣởng (N = 22) Hình 3. Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tƣơng ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 1 Hình 3. Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tƣơng ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 2 Hình 3. Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tƣơng ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 3 Hình 3.

Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tƣơng ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 4 Hình 3. Kết quả khôi phục của các giải pháp khác nhau ở các vòng lặp từ 1 đến 4 Hình 3. Kết quả khôi phục của các giải pháp khác nhau ở các vòng lặp từ 5 đến 8 Hình 3. Mặt cắt dọc hàm lý tƣởng và hàm khôi phục DF–DBIM và DBIM sau vòng lặp (Kịch bản 3) Hình 3.

So sánh lỗi của DF – DBIM và DBIM sau vòng lặp (Kịch bản 3) Hình 3. So sánh lỗi của DF – DBIM và DBIM sau vòng lặp (Kịch bản 4) Hình 3. Mặt cắt dọc hàm lý tƣởng và hàm khôi phục DF–DBIM và DBIM sau vòng lặp (Kịch bản 4) Hình 3. Sơ đồ đề xuất quy trình giải thuật DF-DBIM Hình 4.

Quy trình thực thi của phƣơng pháp truyền thống Hình 4. Quy trình thực thi của phƣơng pháp đề xuất Hình 4. Hàm mục tiêu lý tƣởng (N = 21) Hình 4. Cấu hình đo truyền thống: Vị trí các máy phát và máy thu đƣợc bố trí cách đều nhau (Nt = Nr = 20, = 0.

Biểu đồ vị trí các máy thu bố trí cách đều nhau xung quanh vòng tròn (Nr = 20) Hình 4. Cấu hình đo đề xuất: Vị trí các máy phát đƣợc bố trí cách đều nhau và máy thu đƣợc bố trí kiểu DCS (Nt = Nr = 16, = 0. Biểu đồ vị trí các máy thu bố trí kiểu DCS xung quanh vòng tròn (Nr = 16) Hình 4. So sánh hiệu suất khôi phục thành công của phƣơng pháp truyền thống và phƣơng pháp đề xuất Hình 4.

So sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp truyền thống (484 phép đo) và phƣơng pháp đề xuất (256 phép đo) Hình 4. So sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp truyền thống (900 phép đo) và phƣơng pháp đề xuất (400 phép đo) Hình 4. So sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp CS-DBIM và DCS-DBIM với các tỷ số nén khác nhau Hình 4. Kết quả khôi phục của phƣơng pháp DBIM và DCS-DBIM ở các vòng lặp từ 1 đến 4 trong trƣờng hợp Nt = Nr = 16, r = 0.

Kết quả khôi phục của phƣơng pháp DBIM và DCS-DBIM ở các vòng lặp từ 5 đến 8 trong trƣờng hợp Nt = Nr = 16, r = 0. Biểu đồ quy trình tạo ảnh của phƣơng pháp DCS-DBIM đề xuất DANH MỤC BẢNG Bảng 2. Tốc độ sóng âm trong các cơ quan khác nhau Bảng 3. Tham số mô phỏng của các kịch bản Bảng 3.

Mối liên hệ giữa số phép đo và số biến trong các kịch bản Bảng 3. Lỗi ở các kịch bản tƣơng ứng với mỗi giá trị sau tổng số 8 vòng lặp Bảng 4. Lỗi chuẩn hóa và thời gian tạo ảnh của phƣơng pháp DBIM và DCS- DBIM thông qua các vòng lặp với Nt và Nr khác nhau Bảng 4. Thời gian tạo ảnh của phƣơng pháp DBIM và DCS-DBIM sau 8 vòng lặp với số phép đo khác nhau Bảng 4.

Lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp DBIM và DCS-DBIM sau 8 vòng lặp với số phép đo khác nhau DANH MỤC GIẢI THUẬT Giải thuật 2. Phƣơng pháp lặp vi phân Born – DBIM Giải thuật 3. Phƣơng pháp DF-DBIM đề xuất Giải thuật 3. Khảo sát sự phụ thuộc hiệu suất khôi phục vào Giải thuật 4.