جداسازی پروجکشن های پروتز و ایمپلنت های بافت در تصاویر ساینوگرام سی تی اسکن اسپایرال با استفاده از روش های کانتور فعال

فهرست مطالب

عنوان صفحه

1- فصل اول: مقدمه 1

1-1- مقدمه 2

1-2- Filtered Back Projection (FBP) و آرتیفکت­ها در سی تی4

1-2-1- سخت شدن پرتوها 6

1-2-2- کمبود فوتون 7

1-2-3- پراکندگی 7

1-2-4- اثر حجم نسبی 7

1-3- اهداف کلی این پایان نامه 8

2- فصل دوم: مبانی نظری تحقیق 9

2-1- تاریخچه سی تی اسکن 10

2-2- اجزای اصلی تشکیل دهنده دستگاه سی تی اسکن11

2-3- نسل­های مختلف دستگاه سی تی اسکن تا به امروز 14

2-3-1- نسل اول 15

2-3-2- نسل دوم 16

2-3-3- نسل سوم 17

2-3-4- نسل چهارم 17

2-3-5- نسل پنجم، سی­تی اسکنهای EBCT 18

2-3-6- نسل ششم، سی تی اسکن­های مارپیچ (اسپایرال یا هلیکال)19

2-3-7- نسل هفتم، سی تی اسکنهای مالتی اسلایس20

2-4- الگوریتم­های بازسازی تصویر 21

2-4-1- ساینوگرام 23

2-4-2- الگوریتم ART 27

2-4-3- الگوریتم Back Projection Fourier Slice 28

2-4-4- الگوریتم Filtered Back Projection Fourier Slice 32

2-5- بازسازی تصویر در حالت پرتو بادبزنی شکل 34

2-5-1- بازسازی تصویر در حالت پرتو بادبزنی با زاویه­های مساوی 35

2-5-2- بازسازی تصویر در حالت پرتو بادبزنی با فضاهای پوششی مساوی 38

2-6- بازسازی تصویر در سی­تی­های نسل اسپایرال 38

2-7- کانتورهای فعال 40

2-7-1- مدل­های اکتیو کانتور پارامتریک 41

2-7-2- مدل­های کانتور فعال هندسی 53

2-8- تبدیل هاف 62

3- فصل سوم: مروری بر تحقیقات انجام شده 68

4- فصل چهارم: روش تحقیق 75

4-1- مقدمه 76

4-2- روش تصویر برداری مارپیچ و مقایسه آن با اسکنر معمولی 77

4-3- تشکیل ساینوگرام 78

4-4- الگوریتم مطرح شده 79

4-4-1- مدل کانتور فعال 80

4-4-2- الگوریتم بر پایه تبدیل هاف 84

4-4-3- الگوریتم پس از پردازش 86

4-5- نتیجه گیری 86

5- فصل پنجم: نتایج 88

5-1- اعمال الگوریتم پیشنهادی بر داده­های واقعی و مقایسه به صورت شهودی 89

5-2- اعمال الگوریتم پیشنهادی بر مولاژ و مقایسه به صورت کمی 90

5-2-1- میانگین و واریانس سطح خاکستری 92

5-2-2- میانگین مربع خطاها 93

5-2-3- نسبت ماکزیمم سیگنال به نویز 93

5-2-4- پارامتر Q 94

5-3- مقایسه الگوریتم مطرح شده با روش جداسازی با حد آستانه و تبدیل هاف 119

5-4- نتیجه گیری 122

مراجع 123

فهرست شکل­ها

عنوان صفحه

شکل 1-1: رادیولوژی معمولی. 3

شکل 1-2: سی تی اسکن از یک بیمار با یک پروتز لگن. 5

شکل 1-3: تصاویر سی تی از جمجمه که شامل مواد پرکننده دندان میباشد [3] 6

شکل 2-1: ایده پرتونگاری گابریل فرانک. 11

شکل 2-2: دستگاه ثبت ساینوگرام ساخته شده توسط اولدندورف [1]. 12

شکل 2-3: ساختار تشکیل دهنده لامپ اشعه ایکس [1]. 12

شکل 2-4: دتکتورهای گاز زنون. 14

شکل 2-5: قسمت­های اصلی تشکیل دهنده دستگاه سی تی اسکن معمولی و نحوه ارتباط آن­ها [1]. 15

شکل 2-6: هندسه سی تی اسکن نسل اول [1]. 16

شکل 2-7: هندسه سی تی اسکن نسل دوم. 18

شکل 2-8: هندسه سی تی اسکن نسل سوم [1]. 18

شکل 2-9: هندسه سی تی اسکن نسل چهارم. 20

شکل 2-10: نحوه عملکرد EBCTبه صورت شماتیک [1]. 21

شکل 2-11: سی تی اسکن اسپایرال. 21

شکل 2-12: چگونگی تضعیف پرتو ایکس در اجسام. 22

شکل 2-13: نمونه­ای از بدست آوردن ضرایب تضعیف سطح مقطعی که از 4 پیکسل تشکیل شده است. 24

شکل 2-14: مثالی از نگاشت بین فضای جسم و فضای ساینوگرام [1]. 25

شکل 2-15: نمونه­ای از سطح مقطع و ساینوگرام مربوطه برای پرتوهای موازی. 25

شکل 2-16: هندسه پرتو بادبزنی شکل [7]. 26

شکل 2-17: نمونهای از سطح مقطع و ساینوگرام مربوطه برای پرتوهای بادبزنی. 27

شکل 2-18: نحوه عملکرد الگوریتم ART. 29

شکل 2-19: تئوری Fourier Slice. 29

شکل 2-20: نحوه قرار گیری دستگاه مختصات در پروجکشنی با زاویه [1]. 30

شکل 2-21: تراکم نمونه­ها در صفحه . 32

شکل 2-22: پرتو بادبزنی شکل. 35

شکل 2-23: هندسه پرتو بادبزنی با زاویه­های مساوی [1].36

شکل 2-24: هندسه پرتو بادبزنی با فضای پوشش مساوی [1].39

شکل 2-25: چگونگی قرار گیری اسکن­ها در نسل اسپایرال [1]. 39

شکل 2-26: قرار گیری صفحه بازسازی بین دو صفحه با زاویه [1]. 40

شکل 2-27: نمونه­ای از مدل کانتور فعال با نیروی پتانسیل گوسی. 45

شکل 2-28: مثالی از نیروی فشار در کانتور فعال. 48

شکل 2-30: اعمال میدان جریان برداری گرادیان به کانتور فعال.50

شکل 2-31. نمونه­ای از نیروی تعاملی. 53

شکل 2-32: نمونه­ای از تعبیه یک منحنی به عنوان یک level-set.56

شکل 2-33. نمونهای از تعبیهی یک منحنی به عنوان level-setzero.58

شکل 2-34: استخراج کانتور کیست از تصویر اولتراسوند از طریق ترکیب چند level-setاولیه [4]. 60

شکل 2-35: جداسازی مغز با استفاده از تنها ترم دوم رابطه (2-31). 61

شکل 2-36: تبدیل خط از فضای x-yبه نقطه در فضای m-c [6].64

شکل 2-37: تبدیل نقطه در فضای x-yبه خط در فضای m-c[6].64

شکل 2-38: تبدیل چند نقطه در فضای x-yبه چند خط در فضای m-c [6]. 65

شکل 2-39: استفاده از نرمال و زاویه نرمال در تبدیل هاف [6].66

شکل 2-40: ساخت انباشتگر درتبدیل هاف [6]. 67

شکل 3-1: روش مطرح شده توسط لیو و همکاران. 70

شکل 3-2: روش مطرح شده توسط دکتر یزدی و همکاران [16].72

شکل 3-3: روش مطرح شده توسط دکتر یزدی و همکاران [17].73

شکل 3-4: روش مطرح شده توسط Hui Xue 73

شکل 3-5: روش مطرح شده توسط وتر [20]. 74

شکل 4-1: جداسازی نواحی فلزی در ساینوگرام مطابق مدلهای کانتور فعال هندسی. 81

شکل 4-2: جداسازی بافت­های فلزی در ساینوگرام با مدل کانتور فعال در [24]. 83

شکل 4-3: نمونه­ای از فضای انباشتگر. 85

شکل 4-4. اعمال تبدیل هاف طراحی شده به نواحی در شکل «4-2-ب و د».87

شکل 4-5: اعمال روش پس از پردازش. 87

شکل 5-1: اعمال روش LBFبر دادههای ساینوگرام. 91

شکل 5-2: بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته پس از جداسازی با روش فقط LBF. 92

شکل 5-3: اعمال الگوریتم بر روی ساینوگرامی با نواحی فلزی ناشی از وجود پروتز در بیمار. 96

شکل 5-4: اعمال الگوریتم مطرح شده بر داده­های ساینوگرام مربوط به بیمار با مواد پرکننده دندان 97

شکل 5-5: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام اصلی بیمار با مواد پرکننده دندان. 99

شکل 5-6: اعمال الگوریتم مطرح شده بر دادههای ساینوگرام مربوط به بیمار با پروتز لگن. 103

شکل 5-7: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام اصلی بیمار با پروتز لگن.104

شکل 5-8: مولاژی از جمجمه. 106

شکل 5-9: تعریف منطقه مورد نظر برای محاسبه پارامتر خطا. 106

شکل 5-10: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام مربوط به مولاژ با و بدون فلزات. 107

شکل 5-11: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام مربوط به مولاژ با و بدون فلزات. 109

شکل 5-12: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام مربوط به مولاژ با و بدون فلزات. 111

شکل 5-13: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام مربوط به مولاژ با و بدون فلزات. 113

شکل 5-14: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام مربوط به مولاژ با و بدون فلزات. 115

شکل 5-15: نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام بهبود یافته با روش مطرح شده، به همراه نتایج بازسازی تصاویر از ساینوگرام مربوط به مولاژ با و بدون فلزات. 117

شکل 5-16: مقایسه الگوریتم اصلی با روش جداسازی با حد آستانه و تبدیل هاف 120

فهرست جدول­ها

عنوان صفحه

جدول 5-1: مقایسه تصاویر بدون اعوجاج، دارای اعوجاج و بهبود یافته شکل 5-10.108

جدول 5-2: مقایسه تصاویر بدون اعوجاج، دارای اعوجاج و بهبود یافته شکل 5-11.110

جدول 5-3: مقایسه تصاویر بدون اعوجاج، دارای اعوجاج و بهبود یافته مربوط به شکل 5-12.112

جدول 5-4: مقایسه تصاویر بدون اعوجاج، دارای اعوجاج و بهبود یافته شکل 5-13.114

جدول 5-5: مقایسه تصاویر بدون اعوجاج، دارای اعوجاج و بهبود یافته مربوط به شکل 5-14.116

جدول 5-6: مقایسه تصاویر بدون اعوجاج، دارای اعوجاج و بهبود یافته مربوط به شکل 5-15.118

در این فصل ابتدا توضیح مختصری در مورد نیاز به سیستم­های تصویر برداری بدن و پیدایش دستگاه سی تی اسکن، سپس روند کلی ایجاد تصویر و علل ایجاد آرتیفکت­ و اعوجاج‌های ناشی از بافت فلزی در تصویر شرح داده و در نهایت اهداف کلی و بخش­های پایان نامه ارایه شده است.

1-1- مقدمه

حفظ و ارتقا سلامتی انسان به عنوان محور توسعه­­ی پایدار، از دیرباز مورد توجه و مد نظر دانشمندان در عرصه­های مختلف علوم بوده است. کسب علم و احراز مهارت در زمینه­ی استفاده از ابزارهای مختلف برای خدمت به نوع بشر به ویژه برای تشخیص زود هنگام بیماری­ها و درمان به موقع آن­ها از دغدغه­های روزمره دانشمندان علوم پزشکی بوده و می­باشد. تولید و پیشرفت علم و فناوری نه تنها تحولات عظیمی را در این راستا فراهم نموده است، بلکه به طور قابل ملاحضه­ای تمایل انسان را در به کارگیری از تکنولوژی افزایش داده است.

کسب اطلاع از چگونگی استقرار و عملکرد دقیق دستگاه­های بدن در شرایط عادی و تغییرات آن­ها به علت بیماری برای درک و توجیه بروز علائم و نشانه­ها ضروری می­باشد. هر چند کالبد شناسی یا شناخت دستگاه­ها و اندام­های داخلی از طریق تماس مستقیم و برش دادن جسم انسان، اطلاعات جامعی را در اختیار پزشکان و علمای پزشکی قرار می­دهد ولی اکتفا به استفاده انحصاری از این روش برای آگاهی از وضعیت جسمی و عملکردی بافت­های درونی نه تنها همیشه مقدور نیست بلکه می­تواند صدمات قابل ملاحظه­ای را به انسان وارد نماید. استفاده از تجربیات قبلی بر روی اجساد و تعمیم یافته­های فردی نیز به دلیل تفاوت­ها­ی قابل ملاحظه­ای که در آناتومی بدن انسان وجود دارد امکان پذیر نمی­باشد. بنابراین استفاده از ابزار و تکنولوژی برای کسب اطلاعات دقیق از درون انسان از آرمان­های پایان ناپذیر علمای پزشکی بوده است. در طول تاریخ، آرمانگرایی علمای پزشکی در کسب اطلاعات کامل­تر از درون جسم انسان، آن­ها را به خلق، توسعه­ و استفاده از تکنولوژی سوق داده است.

کنراد رونگتن[1] دانشمند آلمانی در سال 1895 برای اولین بار پی به وجود اشعه ایکس برد و به طور اتفاقی قابلیت­های منحصر به فرد این اشعه را در تصویر برداری از اعضای داخلی بدن به خصوص استخوان، کشف نمود. به این ترتیب شروعی تازه بر تحولی بزرگ در زمینه تصویر برداری پزشکی رقم خورد.

اشعه ایکس از سری پرتوهای الکترومغناطیس می­باشد که طول موجی از چند پیکومتر تا چند نانومتر را پوشش می­دهد و بسته به جنس مواد مختلف با ضرایب تضعیف متفاوتی از مواد عبور می­کند. این همان ویژگی می­باشد که از آن در رادیولوژی معمولی استفاده می­شود. به این گونه که اشعه ایکس در عبور از استخوان و بافت­های سخت بیشتر از سایر بافت­ها جذب و هنگامی که توسط فیلم­های حساس به اشعه ایکس به تصویر تبدیل می­شود این تضعیف اشعه به صورت نواحی روشن دیده می­شود وقابل تشخیص نیز می­باشد. این روند در شکل «1-1» قابل مشاهده می­باشد.