Nghiên cứu phát triển một số giải thuật nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp luận án TS kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông 625202
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.82 MB, 202 trang )
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. TS. 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. TS. 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. TS. 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
CT
US
UST
MRI
PET
SPECT
DBIM
CS
DCS
DF
MF
CURE
HUTT
MoM
LSP
RRE
RoI
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh chụp u lành khi siêu âm ngực
Hình 1.2. 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
1.3. 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) 0.25π, (b) 0.5π, (c) π và
(d) 2π
Hình 1.4. Đồ thị so sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp kết hợp BIMInterpolation-DBIM và phƣơng pháp DBIM truyền thống
Hình 1.5. 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 1.6. Cấu hình đo đều: Các máy phát (hình sao) và máy thu (hình chữ nhật)
bố trí cách đều nhau trên hệ đo
Hình 1.7. 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 1.8. 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 1.9. 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 1.10. Lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp BIM với phép đo đều (uniform) và
BIM kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu nén (CS)
Hình 1.11. Ảnh khôi phục vú sử dụng kỹ thuật siêu âm cắt lớp
Hình 2.1. Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh siêu âm cắt lớp
Hình 2.2. Mô hình phƣơng pháp lặp vi phân Born (DBIM)
Hình 2.3. Cấu hình hệ đo
Hình 2.4. So sánh dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm
Hình 2.5. So sánh dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm, sử dụng bộ lọc trung bình
Hình 3.1. Hàm mục tiêu lý tƣởng (N = 22)
Hình 3.2. 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 3.3. 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 3.4. 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 3.5. 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 3.6. Kết quả khôi phục của các giải pháp khác nhau ở các vòng lặp từ 1
đến 4
Hình 3.7. Kết quả khôi phục của các giải pháp khác nhau ở các vòng lặp từ 5
đến 8
Hình 3.8. Mặt cắt dọc hàm lý tƣởng và hàm khôi phục DF–DBIM và DBIM sau
vòng lặp (Kịch bản 3)
Hình 3.9. So sánh lỗi của DF – DBIM và DBIM sau
Hình 3.10. So sánh lỗi của DF – DBIM và DBIM sau
vòng lặp (Kịch bản 3)
vòng lặp (Kịch bản
4)
Hình 3.11. Mặt cắt dọc hàm lý tƣởng và hàm khôi phục DF–DBIM và DBIM
sau
vòng lặp (Kịch bản 4)
Hình 3.12. Sơ đồ đề xuất quy trình giải thuật DF-DBIM
Hình 4.1. Quy trình thực thi của phƣơng pháp truyền thống
Hình 4.2. Quy trình thực thi của phƣơng pháp đề xuất
Hình 4.3. Hàm mục tiêu lý tƣởng (N = 21)
Hình 4.4. Cấu hình đo truyền thống: Vị trí các máy phát và máy thu đƣợc bố trí
cách đều nhau (Nt = Nr = 20, = 0.826)
Hình 4.5. Biểu đồ vị trí các máy thu bố trí cách đều nhau xung quanh vòng tròn
(Nr = 20)
Hình 4.6. 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, = 0.581)
Hình 4.7. Biểu đồ vị trí các máy thu bố trí kiểu DCS xung quanh vòng tròn (Nr =
16)
Hình 4.8. So sánh hiệu suất khôi phục thành công của phƣơng pháp truyền
thống và phƣơng pháp đề xuất
Hình 4.9. So sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp truyền thống (484 phép đo)
và phƣơng pháp đề xuất (256 phép đo)
Hình 4.10. So sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp truyền thống (900 phép đo)
và phƣơng pháp đề xuất (400 phép đo)
Hình 4.11. So sánh lỗi chuẩn hóa của phƣơng pháp CS-DBIM và DCS-DBIM
với các tỷ số nén khác nhau
Hình 4.12. 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 = 0.581
Hình 4.13. 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 = 0.581
Hình 4.14. Biểu đồ quy trình tạo ảnh của phƣơng pháp DCS-DBIM đề xuất
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Tốc độ sóng âm trong các cơ quan khác nhau
Bảng 3.1. Tham số mô phỏng của các kịch bản
Bảng 3.2. Mối liên hệ giữa số phép đo và số biến trong các kịch bản
Bảng 3.3. Lỗi ở các kịch bản tƣơng ứng với mỗi giá trị sau tổng số 8 vòng lặp
Bảng 4.1. Lỗi chuẩn hóa và thời gian tạo ảnh của phƣơng pháp DBIM và DCSDBIM thông qua các vòng lặp với Nt và Nr khác nhau
Bảng 4.2. Thời gian tạo ảnh của phƣơng pháp DBIM và DCS-DBIM sau 8 vòng
lặp với số phép đo khác nhau
Bảng 4.3. 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 2.1. Phƣơng pháp lặp vi phân Born – DBIM
Giải thuật 3.1. Phƣơng pháp DF-DBIM đề xuất
Giải thuật 3.2. Khảo sát sự phụ thuộc hiệu suất khôi phục vào
Giải thuật 4.1. Phƣơng pháp DBIM kết hợp kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu
nhiên (DCS-DBIM)
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
⃗
⃗
̅
̅
̅
bmn( ⃗
̅
̅
̂̅
̅
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài...............................................................................................1
2. Đối tƣợng nghiên cứu.......................................................................................1
3. Mục đích nghiên cứu.........................................................................................2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án....................................................... 2
6. Cấu trúc luận án................................................................................................ 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................4
1.1. Đặt vấn đề...................................................................................................... 4
1.2. Tổng quan về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp..............................................5
1.2.1. Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia................................................7
1.2.2. Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ....................................................9
1.3. Các công trình nghiên cứu liên quan đến phƣơng pháp DBIM...................12
1.4. Định hƣớng nghiên cứu...............................................................................21
CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP............................26
2.1. Cơ sở lý thuyết về siêu âm cắt lớp...............................................................26
2.2. Phƣơng pháp lặp vi phân Born – DBIM......................................................28
2.3. Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng phƣơng pháp DBIM.....................36
2.4. Kết luận chƣơng 2....................................................................................... 39
CHƢƠNG 3: THUẬT TOÁN KẾT HỢP TẦN SỐ DÙNG TRONG TẠO ẢNH
SIÊU ÂM CẮT LỚP...........................................................................................40
3.1. Cơ sở lý thuyết.............................................................................................40
3.2. Phƣơng pháp luận........................................................................................41
3.3. Mô phỏng và kết quả....................................................................................46
3.3.1. Tìm giá trị
tốt nhất.............................................................................46
3.3.2. Mô phỏng DBIM và DF-DBIM................................................................51
3.4. Kết luận chƣơng 3....................................................................................... 57
CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN LẤY MẪU NÉN DÙNG TRONG TẠO ẢNH
SIÊU ÂM CẮT LỚP...........................................................................................60
4.1. Cơ sở lý thuyết.............................................................................................60
4.2. Kỹ thuật lấy mẫu nén ngẫu nhiên.................................................................61
4.3. Kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên...........................................................62
4.4. Phƣơng pháp lặp vi phân Born kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu
nhiên....................................................................................................................64
4.5. Mô phỏng số.................................................................................................68
4.5.1. Đánh giá hiệu suất của phƣơng pháp DCS-DBIM và DBIM...................70
4.5.2. Đánh giá hiệu suất của phƣơng pháp DCS-DBIM và CS-DBIM.............78
4.6. Kết luận chƣơng 4....................................................................................... 83
KẾT LUẬN.........................................................................................................86
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...........................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................92
PHỤ LỤC..........................................................................................................107
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ảnh siêu âm đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán bởi
những ƣu điểm nhƣ không xâm hại, giá rẻ, có tính chất thời gian thực … Tuy
nhiên, kỹ thuật tạo ảnh phổ biến hiện nay dùng để phát hiện khối u (đối tƣợng
tĩnh) sử dụng thông tin phản hồi của sóng siêu âm khi gặp vật thể (ví dụ Bmode) chỉ cho phép hiển thị định tính cấu trúc và chỉ xác định đƣợc u kích
thƣớc đủ lớn. Trong khi đó, kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng thông
tin tán xạ (dùng DBIM) cho phép hiển thị định lƣợng cấu trúc, phát hiện
đƣợc u kích thƣớc nhỏ, và có nhiều tiềm năng ứng dụng (ví dụ phát hiện sớm
ung thƣ vú). Tuy nhiên, phƣơng pháp DBIM có độ phức tạp tính toán cao dẫn
đến thời gian tạo ảnh lâu. Đó là lí do cho đến nay số lƣợng các thiết bị tạo ảnh
siêu âm cắt lớp đƣợc thƣơng mại hóa rất hạn chế.
Luận án tập trung nghiên cứu phát triển một số thuật toán xử lý tín hiệu
tiên tiến (kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên) nhằm
nâng cao tốc độ và chất lƣợng tạo ảnh siêu âm cắt lớp.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Sự thay đổi tốc độ truyền âm khi gặp môi trƣờng không đồng nhất (tức
là khi có u lạ), kỹ thuật tạo ảnh dựa trên sự tán xạ ngƣợc.
Phƣơng pháp lặp vi phân Born (DBIM).
Kỹ thuật xử lí tín hiệu tiên tiến (kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy
mẫu nén giả ngẫu nhiên) kết hợp với phƣơng pháp DBIM.
1
3. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng và phát triển các phƣơng pháp, mô hình, giải thuật và công
cụ nhằm nhằm tăng tốc việc lấy mẫu, nâng cao chất lƣợng tạo ảnh siêu âm cắt
lớp sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp thực hiện đề tài là nghiên cứu lý thuyết (các giải thuật xử
lý tín hiệu) áp dụng cho ảnh siêu âm cắt lớp kết hợp với mô phỏng số. Trong
luận án, nghiên cứu sinh sử dụng phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng để
xây dựng mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp (phƣơng pháp DBIM) và phƣơng
pháp này đã đƣợc kiểm chứng dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Từ đó, nghiên
cứu sinh tiếp tục phát triển mô hình mô phỏng của phƣơng pháp DBIM bằng
việc sử dụng một số giải thuật tiên tiến ứng dụng trong tạo ảnh siêu âm cắt
lớp. Ta biết rằng, một trong các giải pháp để xây dựng ảnh 3D đƣợc tạo bởi từ
các ảnh 2D. Bởi vậy trong luận án, nghiên cứu sinh giới hạn nghiên cứu ở
việc tạo ảnh lát cắt 2D với mục đích để nâng cao chất lƣợng của lát cắt 2D
này, để từ đó có thể tạo đƣợc ảnh 3D có chất lƣợng tốt.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Việc xây dựng và phát triển các phƣơng pháp, mô hình, giải thuật và
công cụ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý tín hiệu và tạo ảnh y-sinh có ý nghĩa
khoa học tốt vì những kết quả nếu thành công sẽ là đóng góp mới trong tạo
ảnh y – sinh nói chung và tạo ảnh siêu âm cắt lớp nói riêng. Những nghiên
cứu lý thuyết của đề tài thực hiện theo định hƣớng có thể hiện thực hóa đƣợc
trên các máy tạo siêu âm cắt lớp thế hệ sau.
2
6. Cấu trúc luận án
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp
Chƣơng 3: Thuật toán kết hợp tần số dùng cho tạo ảnh siêu âm cắt lớp
Chƣơng 4: Thuật toán lấy mẫu nén dùng cho tạo ảnh siêu âm cắt lớp
Kết luận và kiến nghị
3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trên thế giới mỗi năm có khoảng 1,4 triệu ngƣời mới mắc bệnh ung
thƣ vú và 458.000 ngƣời tử vong [1]. Ở Việt Nam, mỗi năm có khoảng 7.000
ngƣời mới mắc bệnh, trong đó tỷ lệ tử vong khoảng 35%, cao hơn các nƣớc
phát triển, bệnh có xu hƣớng trẻ hóa và tăng dần qua các năm. Vì vậy, các
công trình nghiên cứu về các thiết bị nhằm phát hiện sớm căn bệnh ung thƣ
vú là rất cần thiết và mang tính thời sự ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới.
Ung thƣ vú nếu đƣợc phát hiện và điều trị sớm thì tỷ lệ chữa khỏi bệnh
đạt tới 90% và chất lƣợng sống của bệnh nhân đƣợc tăng lên rõ rệt. Do đó, kỹ
thuật tạo ảnh của khối u lạ khi còn nhỏ (tức là đƣờng kính của khối u nhỏ hơn
5mm) là rất cần thiết. Kỹ thuật chụp X–quang tuyến vú (mammography)
đƣợc sử dụng rộng rãi để tìm kiếm ung thƣ vú ở phụ nữ hậu mãn kinh. Tuy
nhiên, đối với những phụ nữ dƣới 50 tuổi thì kỹ thuật X–quang tuyến vú bị
hạn chế bởi vì các mô vú ở phụ nữ là dày đặc [67]. Các mô dày đặc không
cung cấp đƣợc sự thay đổi tốc độ truyền âm cần thiết để tạo đƣợc ảnh của
khối u nhỏ. Trong khi đó, kỹ thuật siêu âm cắt lớp (ultrasound tomography)
lại thực hiện đƣợc điều này. Nó là một kỹ thuật thay thế cho kỹ thuật X-quang
tuyến vú trong chẩn đoán ung thƣ vú. Vì vậy, các công trình nghiên cứu để
nâng cao chất lƣợng tạo ảnh siêu âm cắt lớp sẽ tạo điều kiện thuận lợi để áp
dụng vào thực tiễn y sinh.
Kỹ thuật siêu âm cắt lớp là một lĩnh vực rất mới trên thế giới, nó có rất
nhiều tiềm năng phát triển, bởi vì nó có khả năng phát hiện đƣợc các u lạ có
kích thƣớc nhỏ, dựa trên kỹ thuật tán xạ ngƣợc [59]. Các công trình nghiên
cứu hiện nay về lĩnh vực này thƣờng tập trung nghiên cứu về Phƣơng pháp
lặp Born (BIM) và Phƣơng pháp lặp vi phân Born cải tiến (DBIM) [5]. Vì
4
vậy, nghiên cứu sinh tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình tạo ảnh siêu
âm cắt lớp sử dụng các kỹ thuật tiên tiến nhƣ kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật
lấy mẫu nén. Nghiên cứu sinh đã ban đầu đƣa ra hƣớng nghiên cứu sử dụng
chuỗi giả ngẫu nhiên trong kỹ thuật lấy mẫu nén, là bƣớc tiến quan trọng
trong việc đƣa kỹ thuật lấy mẫu nén thực thi đƣợc trên phần cứng của máy
chụp ảnh siêu âm cắt lớp. Những nội dung nghiên cứu nếu thành công sẽ cho
phép hoàn thiện cả lý thuyết lẫn thực tế trong ứng dụng chụp ảnh siêu âm cắt
lớp.
Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp có ƣu điểm an toàn, không xâm lấn, rẻ
tiền, có tính chất thời gian thực và nó rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở
Việt Nam. Tuy nhiên, ngoài những ƣu điểm trên, thì kỹ thuật này vẫn còn một số
hạn chế nhƣ ảnh siêu âm có độ phân giải thấp; tốc độ tạo ảnh còn chậm; độ
chính xác chƣa cao; còn ảnh hƣởng bởi nhiễu; độ phức tạp tính toán còn lớn,
…
Các kết quả nghiên cứu của luận án đã cải tiến đáng kể những hạn chế hiện
tại. Cụ thể:
+ Độ phân giải thấp, ảnh hƣởng bởi nhiễu đƣợc cải tiến bằng cách sử
dụng kỹ thuật kết hợp tần số đề xuất.
+
Độ chính xác chƣa cao và độ phức tạp tính toán lớn đƣợc cải tiến
bằng cách sử dụng kỹ thuật lấy mẫu nén đề xuất.
Có thể thấy rằng, những kỹ thuật xử lí tín hiệu tiên tiến này, nếu đƣợc
áp dụng trong việc khôi phục ảnh siêu âm thực tế thì sẽ cải thiện đáng kể chất
lƣợng siêu âm cắt lớp hiện tại, tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi trong y khoa.
1.2. Tổng quan về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp
Công nghệ tạo ảnh y sinh đã và đang làm thay đổi mạnh mẽ trong lĩnh
vực chẩn đoán lâm sàng. Sự phát triển bùng nổ của phƣơng tiện truyền thông
số và công nghệ thông tin đem lại các phƣơng pháp rất thông minh và tinh vi
5
trong quá trình chẩn đoán và điều trị [100]. Vào năm 1885, Wilhelm Roentgen
phát hiện ra tia X-ray, kể từ đó, công nghệ tạo ảnh y sinh ra đời. Hơn một
trăm năm qua, sự phát triển của công nghệ tiên tiến, bắt nguồn từ X-ray đến
MRI, CT, PET, SPECT, siêu âm … đã tạo ra những thay đổi lớn trong lĩnh
vực y học lâm sàng. Hiệu quả của các công cụ tạo ảnh không xâm lấn phát
triển nhanh chóng cùng với những tiến bộ trong khoa học máy tính.
Phƣơng pháp tạo ảnh y-sinh là phƣơng pháp tạo ảnh các bộ phận của
ngƣời hay động vật, … để thu thập dữ liệu về các mô, cấu trúc hay đặc điểm
về các mô, xƣơng hoặc thậm chí là cả đặc điểm sinh lí học bằng cách tiêm
các chất đặc biệt vào trong cơ thể ngƣời [66]. Hiện nay có rất nhiều phƣơng
pháp tạo ảnh y sinh nhƣ đã đề cập ở trên, định hƣớng nghiên cứu của đề tài là
tạo ảnh siêu âm vì nó là một trong những phƣơng pháp tạo ảnh y-sinh phổ
biến nhất và đại diện cho chuẩn vàng trong việc kiểm tra chẩn đoán quan
trọng chẳng hạn nhƣ sản phụ khoa và tim học.
Kỹ thuật tạo ảnh sử dụng sóng âm, đã đƣợc ứng dụng rộng rãi, từ khi
có sự phát triển của kỹ thuật sonar vào năm 1910. Một trong những kỹ thuật
đƣợc sử dụng phổ biến nhất, dựa trên nguyên lí sonar là kỹ thuật tạo ảnh Bmode [14]. Kỹ thuật này đƣợc ứng dụng để chẩn đoán không phá hủy và tạo
ảnh y học. Hình 1.1 minh họa một ảnh chụp kiểu B-mode phát hiện ra một u
lành khi siêu âm ngực. Ảnh B-mode biểu diễn định tính sự thay đổi hàm trở
kháng âm, từ đó chúng ta có thể phân biệt đƣợc các môi trƣờng khác nhau.
Độ phân giải không gian của ảnh có thể thu đƣợc bằng việc sử dụng đầu dò
dạng mảng [10] và các đầu dò một phần tử có độ hội tụ cao [32]. Mặc dù chất
lƣợng ảnh có thể bị xấu đi do sự sai lệch về biên độ và pha [72], nhƣng quá
trình tạo ảnh B-mode đơn giản và đáng tin cậy. Tuy nhiên, do bản chất định
tính của ảnh B-mode, nên việc chẩn đoán y khoa sử dụng ảnh này thƣờng
mang tính chủ quan và phụ thuộc vào chuyên môn của chuyên gia chẩn đoán.
6
Hình 1.1. Ảnh chụp u lành khi siêu âm ngực [38]
Cách tiếp cận ban đầu để thu thập thông tin định lƣợng là từ ảnh Bmode. Trong nhiều năm qua, sự phân tích kết cấu ảnh đã đƣợc khai thác bằng
cách sử dụng một số kỹ thuật, nhƣ các tham số bậc 1 và 2 (trị trung bình, độ
lệch chuẩn, entropy, tham số loạt dài (run-length parameters)) [28], [85], [99],
tham số đại diện thống kê đƣờng bao [71], [98], và phân tích sóng con [11],
[37]. Tuy nhiên, các tham số định lƣợng này không độc lập với hệ thống tạo
ảnh, do đó các giải pháp này có những thành công nhất định và chúng không
còn đƣợc sử dụng trên các thiết bị y sinh hiện nay.
Kỹ thuật siêu âm định lƣợng (ở đây chính là siêu âm cắt lớp) đƣợc biết
đến là sẽ cho nhiều thông tin hữu ích/định lƣợng hơn so với ảnh B-mode [54].
Có hai hƣớng nghiên cứu chủ yếu về kỹ thuật này: Kỹ thuật siêu âm cắt lớp
dựa trên lý thuyết chiếu tia và Kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán
xạ.
1.2.1. Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia:
Các hệ thống tạo ảnh thực nghiệm mà ở đó sử dụng lý thuyết chiếu tia
để xây dựng các lát cắt về tốc độ âm và độ suy hao âm từ các mô đã đƣợc xây
dựng đƣợc vài thập kỉ. Một số hệ thống đã đƣợc xây dựng vào cuối những
năm 1970 và đầu năm 1980 để thu thập các lát cắt về âm học chẩn đoán ở vú
7
phụ nữ [30], [41], [42], [70]. Một ví dụ của hệ thống tạo ảnh hiện có là
CURE, đƣợc phát triển bởi Viện Ung thƣ Karmanos [61]. Cả hai kỹ thuật
siêu âm cắt lớp sử dụng giải pháp chiếu tia thẳng [60] và hiệu chỉnh khúc xạ
[16] đã đƣợc thực hiện trong hệ thống này. Hệ thống CURE biểu thị ảnh về
tốc độ âm, độ suy hao và độ phản xạ. Một ví dụ khác là hệ thống HUTT, đƣợc
phát triển bởi các nhà nghiên cứu của Trƣờng Đại học Nam California [44],
[45], [46]. Hệ thống này sử dụng kỹ thuật cắt lớp dựa vào giải pháp chiếu tia
để khôi phục ảnh nhằm biểu thị hệ số suy hao ở các tần số khác nhau. Các
phƣơng pháp tổng hợp ảnh đƣợc sử dụng để kết hợp các lát cắt khác nhau để
tạo ảnh 3D nhằm nâng cao khả năng chẩn đoán. Trong môi trƣờng phòng thí
nghiệm, các hệ thống siêu âm cắt lớp 3D đƣợc phát triển bởi Viện Công nghệ
Karlsruhe đã sử dụng các đầu dò đƣợc sắp xếp trong khẩu độ hình trụ 2D. Sử
dụng lý thuyết chiếu tia, các lát cắt về tốc độ âm và độ phản xạ đã đƣợc xây
dựng [35], [76].
Kỹ thuật chụp cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia cũng đƣợc đề xuất để
khôi phục ảnh về các thông số khác ngoài các thông số về tốc độ âm, độ suy
hao âm và độ phản xạ. Ví dụ, Zhang cùng cộng sự đã đề xuất để khôi phục lát
cắt về tham số âm học phi tuyến từ các phép đo biên độ hài bậc 2 [22] và
tƣơng tác sóng phi tuyến ở hai tần số khác nhau [21].
Mặc dù việc thực thi thực nghiệm thành công của kỹ thuật siêu âm cắt lớp
dựa vào lý thuyết chiếu tia, nhƣng kỹ thuật này thƣờng xuyên gặp phải sự hoài
nghi một phần do mô hình vật lý đơn giản đƣợc sử dụng để khôi phục ảnh siêu
âm. Mặc dù sự khúc xạ là một cơ chế chi phối khi tạo ảnh các đối tƣợng lớn so
với bƣớc sóng, nhƣng ảnh hƣởng của sự tán xạ cần đƣợc xem xét khi kích
thƣớc của cấu trúc tán xạ tƣơng đƣơng với bƣớc sóng. Các nghiên cứu mô
phỏng cho thấy rằng, ngay cả sau khi điều chỉnh sự khúc xạ, kỹ thuật chụp cắt
lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia chỉ có thể khôi phục chính xác định
8
lƣợng các cấu trúc có kích thƣớc lớn hơn vài bƣớc sóng (tức là từ 2-5 bƣớc
sóng) [102]. Hạn chế này cũng đƣợc quan sát bằng dữ liệu thực nghiệm [79].
Do đó, từ đầu những năm 1980, sự quan tâm nghiên cứu đƣợc chuyển hƣớng
sang các phƣơng pháp cho phép khôi phục các đối tƣợng có kích thƣớc nhỏ
hơn bƣớc sóng bằng việc xem xét ảnh hƣởng của sự tán xạ.
1.2.2. Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ:
Kỹ thuật siêu âm cắt lớp hoạt động dựa trên sự tán xạ. Khi sóng âm gặp
một môi trƣờng không đồng nhất, thì một phần năng lƣợng sẽ bị tán xạ theo
mọi hƣớng. Các máy thu sẽ thu đƣợc sóng tán xạ, từ đó chúng ta có đƣợc
một tập các phép đo của trƣờng tán xạ. Bài toán tán xạ ngƣợc bao gồm ƣớc
lƣợng sự phân bố của các tham số âm (nhƣ tốc độ âm, sự suy hao âm và mật
độ) để khôi phục đối tƣợng không đồng chất. Kỹ thuật này cho phép mô tả
chi tiết hơn về đối tƣợng cần chụp, bởi vì, thay vì dùng tham số trở kháng của
sóng âm, thì nó sử dụng nhiều các tham số thuộc tính của sóng âm. Do đó, kĩ
thuật tán xạ ngƣợc cho phép hiển thị thông tin định lƣợng, liên quan đến
thuộc tính cơ học của đối tƣợng [19], [33], [36], [48], [51], [52], [54], [65].
Tuy nhiên, kỹ thuật tán xạ ngƣợc gặp phải một số hạn chế nhất định nên
các thiết bị tạo ảnh siêu âm cắt lớp không đạt đƣợc thành công nhƣ các phƣơng
thức tạo ảnh y sinh khác nhƣ chụp ảnh X quang, chụp ảnh dựa trên ứng dụng hạt
nhân, chụp ảnh cộng hƣởng từ [57]. Một là, kỹ thuật tán xạ ngƣợc gặp phải vấn
đề về sự hội tụ khi khôi phục đối tƣợng có sự thay đổi tốc độ truyền âm lớn.
Chính vì hạn chế này, mà từ trƣớc tới nay, kỹ thuật tán xạ ngƣợc chỉ đƣợc dùng
để tạo ảnh các mô vú [13], [29], [54] bởi vì vú phụ nữ chỉ chứa các mô mềm.
Một số công trình độc lập nghiên cứu sự tạo ảnh của xƣơng [55], chúng có thể
mở rộng mức độ nào đó dải ứng dụng của kỹ thuật tán xạ ngƣợc. Hai là, dữ liệu
0
0
tán xạ phải đƣợc thu ở nhiều góc độ khác nhau từ 0 đến 360 để thu đƣợc ảnh
chất lƣợng tốt nhất (minh họa ở Hình 1.2).
9
Đây cũng chính là lí do khác nữa mà hầu hết các công trình nghiên cứu về sự
tán xạ ngƣợc tập trung vào tạo ảnh các mô vú. Máy chụp ảnh siêu âm cắt lớp
phổ biến đƣợc thƣơng mại hóa trên thị trƣờng có thể đƣợc kể đến là máy
máy chụp ảnh vú SoftVue [62] với các tham số hoạt động là: Số biến tử:
2048; Số kênh nhận: 512; Số kênh phát: 512; Tần số hoạt động: 3MHz; Độ
phân giải dữ liệu: 14 bít; Độ phân giải ảnh (B-mode): 0.7mm; Độ dày lát cắt:
2,5mm; Đƣờng kính vú tối đa: 22cm; Thời gian thu thập trên mỗi lát cắt: 15s.
Hình 1.2. 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 tượng, áp dụng kỹ thuật tái tạo sẽ
thu được là ảnh thể hiện phân bố tốc độ truyền sóng, từ đó nhận diện được
đối tượng [3].
Một hạn chế nữa của kỹ thuật tán xạ ngƣợc là thiếu các kỹ thuật tính
toán mạnh và hiệu quả. Có hai hƣớng nghiên cứu trong kỹ thuật siêu âm cắt
lớp dựa trên lý thuyết tán xạ ngƣợc: Kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phƣơng
pháp xấp xỉ Born bậc 1 [5] và Kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phƣơng pháp
xấp xỉ Rytor bậc 1 [4]. Cả hai hƣớng nghiên cứu này đều có những ƣu và
10
nhƣợc điểm khác nhau. Tuy nhiên, kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phƣơng
pháp xấp xỉ Born bậc 1 đƣợc các nhà khoa học ƣu dùng hơn bởi:
Điều kiện để phƣơng pháp xấp xỉ Born bậc một khả dụng là áp suất tán xạ
nhỏ hơn nhiều so với áp suất của sóng tới trong đối tƣợng tạo ảnh. Một điều kiện
tƣơng đƣơng đƣợc đề xuất bởi Slaney và các cộng sự [57] liên quan đến độ lệch
pha , đại lƣợng này biểu thị sự thay đổi pha cực đại của sóng tới khi lan truyền
qua môi trƣờng không đồng nhất. Bằng mô phỏng, Slaney cùng cộng sự đã phát
hiện rằng, kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phƣơng
pháp xấp xỉ Born bậc 1 mất hiệu quả khi |
|
. Hạn chế này phù hợp
với sự kỳ vọng của phƣơng pháp xấp xỉ Born bậc 1 là phƣơng pháp này sẽ bị
truyền âm (%)
Sự thay đổi vận tốc
mất hiệu quả khi | | [54], [57]. Trong trƣờng hợp này, ảnh khôi phục có chất lƣợng
kém bởi việc xuất hiện một số tạo tác (nhiễu đốm) ở gần tâm đối tƣợng khôi phục.
truyền âm (%)
Sự thay đổi vận tốc
Bán kín
Bán kính đối tƣợng theo λ
11
