Maths

Math Formula?

Thứ Hai, 26 tháng 3, 2012

Cứu sinh - toán học cho phép chụp cắt lớp - Kỳ 4

Dịch bởi Võ Đức Huy
Chụp cắt lớp, GPS và việc hạ cánh máy bay an toàn
Quay quanh trái đất là rất nhiều vệ tinh GPS đang truyền tín hiệu radio xuống mặt đất. Nếu bạn có thể phát hiện những tín hiệu và tìm độ lệch pha giữa tín hiệu từ những vệ tinh khác nhau, bạn có thể xác định vị trí của mình với độ chính xác cao. Các phương pháp định vị GPS được sử dụng rộng rãi bởi các hệ thống định hướng máy bay, các thiết bị SATNAV và những người leo núi. Dù vậy, một trong những vấn đề của hệ thống này là những dao động từ tầng ion (tầng trên của khí quyển Trái đất) có thể ảnh hưởng đến tín hiệu radio và làm chúng bị lệch một ít. Sự lệch pha này sẽ dẫn đến sai sót trong vị trí cho bởi hệ thống GPS. Những sai sót này không lớn và chấp nhận được cho việc định hướng. Thế nhưng, với việc hạ cánh máy bay thì điều quan trọng là biết chính xác độ cao mà một sai lệch nhỏ cũng dẫn đến hậu quả lớn. Ở đây một hiểu biết chính xác về tầng ion là điều cốt yếu.
Có những lí do khác cho việc tìm hiểu tầng ion. Lí do dẫn đầu là tầng ion có ảnh hưởng rất đáng kể tới đường truyền của sóng radio và truyền thông nói chung. Nói đơn sơ, tầng ion có thể phản xạ sóng radio, làm tăng đáng kể phạm vi truyền tín hiệu.
Đáng chú ý là có thể dùng chụp cắt lớp để thăm dò trạng thái của tầng ion. Trong vấn đề vẽ hình ảnh bệnh nhân, chúng ta chiếu tia X qua cơ thể họ. Để vẽ hình ảnh của tầng ion, chúng ta dùng tín hiệu từ các vệ tinh GPS. Chúng tạo nên những “đường thẳng” đi xuyên qua tầng ion. Đường đi của chúng được minh họa trong hình dưới đây.

Pha của các sóng radio bị ảnh hưởng bởi các electron của khí quyển, do đó tổng thay đổi trong pha tỉ lệ với tích phân mật độ electron dọc đường truyền. Nếu ta có thể đo những thay đổi trong pha, ta có thể ước lượng mật độ electron và tìm ra biến đổi Radon của mật độ electron. Chúng ta gần như ở cùng một hoàn cảnh với bài toán chụp ảnh y khoa và có vẻ như có thể tìm mật độ electron tại bất kỳ điểm nào trong khí quyển.
Không hẳn là vậy. Có hai khác biệt lớn giữa vấn đề này và bài toán CAT. Trước hết, các vệ tinh phải di chuyển thường xuyên theo Trái đất. Thứ hai, có những vùng lớn trên Trái đất mà tại đó ta không thể đo được. Những vùng đó gồm các đại dương, nơi không có thiết bị thu sóng vệ tinh, và hai cực, nơi không có vệ tinh ở trên chúng. Do đó chúng ta có ít thông tin hơn nhiều so với trường hợp của bài toán quét CAT. Điều đó nghĩa là chúng ta thường ở trong tình huống của người đưa sữa không phân biệt được hai cách sắp xếp chai sữa khác nhau, vì cả hai cách đều dẫn đến cùng một kết quả đo như nhau.
Để vượt qua vấn đề này, ta cần một thông tin tiên khởi (a priori information) về trạng thái của tầng ion, nói cách khác là một phỏng đoán có lý về về lời giải. Điều này giúp chúng ta loại bỏ những lời giải không hợp với phỏng đoán và chọn lời giải càng giống phỏng đoán càng tốt. May mắn thay, ta có đủ hiểu biết về tính chất vật lý của tầng ion để làm cho phỏng đoán của ta đủ gần với sự thật. Bằng cách đó (cùng vài cải tiến thông minh) ta có thể dùng phép chụp cắt lớp để tìm trạng thái của tầng ion. Trong hình dưới chúng tôi minh họa một phép tính (dùng phần mềm MIDAS phát triển bởi University of Bath) về một cơn bão tầng ion (màu đỏ) đang phát triển ở miền nam nước Mỹ.

Phát hiện mìn dưới đất
Mìn chôn dưới đất là một trong những khía cạnh dơ bẩn nhất của chiến tranh hiện đại. Chúng thường được kích hoạt bởi những dây bẫy ngầm gắn với kíp nổ. Bất kỳ thuật toán nào để phát hiện dây bẫy cũng phải hoạt động nhanh và không bị nhầm lẫn bởi những lá cây và bụi cỏ ngụy trang. Một ví dụ cho vấn đề mà thuật toán phải đối mặt được cho trong hình dưới, trong đó các dây bẫy được giấu trong một khu rừng nhân tạo.

Dò tìm những dây bẫy bao gồm việc tìm những đường thẳng bị che giấu trong bức hình. May mắn là có phương pháp làm việc đó, chính là phép biến đổi Radon! Với bài toán tìm dây dẫy, ta không cần phải tìm phép ngược mà chỉ cần áp dụng thẳng phép biến đổi Radon vào bức ảnh. Tất nhiên cuộc đời không giản đơn như thế với những hình ảnh thực của các dây bẫy, và một số việc cần phải làm thêm để phát hiện chúng. Để áp dụng phép biến đổi Radon, hình ảnh phải được tiền xử lý để làm nổi rõ các cạnh. Sau khi biến đổi Radon cho hình ảnh được tiền xử lý, một bước xử lý nữa phải được áp dụng để phân biệt những đường thẳng tạo bởi các dây (ứng với các giá trị lớn của ) và các đường giả tạo bởi những nhánh lá nhỏ (với giá trị  nhỏ hơn).
Sau một loạt các phép tính điều chỉnh và các ước lượng giải tích cho một số lớn các hình ảnh khác nhau, có thể tìm ra một thuật toán nhanh chóng tìm ra các đường dây bằng cách lọc hình ảnh trước tiên, rồi áp dụng biến đổi Radon, sau đó áp dụng một phép hậu xử lý và áp dụng phép biến đổi Radon ngược. Kết quả của việc áp dụng phương pháp này đối với hình ảnh trên được chỉ ra dưới đây, với ba đường dây được tô đậm.
Để ý cách mà phương pháp này không chỉ phát hiện các dây bẫy, mà còn, từ độ rộng của các đường tô đậm, chỉ ra khoảng tin cậy của phép toán.

Toán học thật sự đã cứu nhiều mạng sống!
Về các tác giả

Chris Budd is Professor of Applied Mathematics at the University of Bath, and Chair of Mathematics for the Royal Institution. He is particularly interested in applying mathematics to the real world and promoting the public understanding of mathematics.
He has recently co-written the popular mathematics book Mathematics Galore!, published by Oxford University Press, with C. Sangwin.

Cathryn Mitchell is Professor of Electronic and Electrical Engineering and EPSRC Research Fellow at the University of Bath. She is interested in all sorts of tomography problems ranging from medical imaging to space physics.