Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ
-----



-----

NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SĨNG
BIẾN DẠNG TRONG MƠI TRƯỜNG CĨ NHIỄU

ḶN VĂN THẠC SĨ
CƠNG NGHÊ KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ
-----



-----

NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SĨNG
BIẾN DẠNG TRONG MƠI TRƯỜNG CĨ NHIỄU

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điện tử,Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số:

8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHÊ KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN THỊ THÚY QUỲNH
PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN

HÀ NỘI - 2020


1

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn, tơi đã nhận được
sự hỗ trợ, giúp đỡ và đóng góp quý báu của thầy cơ, đồng nghiệp, gia đình, các bạn.

Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn và tri ân sâu sắc đến TS. Trần Thị Thúy
Quỳnh và PGS.TS Trần Đức Tân. Với vai trò cán bộ hướng dẫn khoa học, thầy cơ
khơng chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành nội dung luận văn mà còn là
người định hướng, truyền cảm hứng, sự đam mê và ý chí quyết tâm trên con đường

nghiên cứu khoa học đầy gian khó.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo chuyên ngành Kĩ thuật điện tử,
Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã
có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi.
Tôi xin cám ơn sự hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu phát triển thuật tốn tìm kiếm và
đo độ đàn hồi mô định lượng, ứng dụng chẩn đốn u lành và ác tính”, mã số B2020 SP2-02.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã ln động
viên, chia sẻ những khó khăn trong học tập, cơng việc và cuộc sống, giúp tơi hồn
thành luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2020

Nguyễn Thị Hoàng Yến


2
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu
của cá nhân dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thị Thúy Quỳnh và PGS.TS Trần Đức
Tân. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực, không sao
chép các cơng trình của người khác.
Tất cả các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn được ghi rõ nguồn gốc.
Nếu có sai sót, tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2020

Tác giả

Nguyễn Thị Hoàng Yến
3
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN...........................................................................................
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................
MỤC LỤC.................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..............................
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................
DANH MỤC BẢNG .................................................................................
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM
SÓNG BIẾN DẠNG .......................................................................................
1.1 Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán ..................................................
1.1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm ....
1.1.2 Phương pháp tạo hình bằng siêu âm ......................................
1.1.3 Các kiểu siêu âm .....................................................................
1.2 Những kiến thức cơ bản về sự lan truyền sóng biến dạng ..........
1.2.1 Khái niệm sóng biến dạng ......................................................


1.2.2. Nguyên lý tạo và đo vận tốc hạt của sóng biến dạng .............
1.3 Phương pháp tạo ảnh siêu âm đàn hồi sóng biến dạng trong chẩn
đốn bệnh ....................................................................................................
1.4 Ứng dụng siêu âm sóng biến dạng trong chẩn đốn xơ gan .......
1.5 Tính tốn Module shear phức theo mơ hình Kelvin–Voigt ........
1.6 Tổng quan các nghiên cứu về ước lượng và tạo ảnh đàn hồi nhớt
mô ................................................................................................................
CHƯƠNG 2 TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SĨNG BIẾN DẠNG

TRONG MƠI TRƯỜNG CĨ NHIỄU GAUSS.............................................
2.1 Biểu diễn lan truyền sóng biến dạng sử dụng phương pháp sai
phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) .............................................
2.2 Nhiễu trong ảnh siêu âm...............................................................
2.3 Lọc nhiễu ảnh 2D bằng bộ lọc LMS ............................................


4

2.4 Ước lượng độ đàn hồi nhớt sử dụng bộ lọc thích nghi bình phương
trung bình tối thiểu kết hợp thuật toán Biến đổi ngược đại số Helmholtz
33

2.5 Xây dựng kịch bản mô phỏng tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến
dạng trong mơi trường có nhiễu gauss và kết quả.....................................34
CHƯƠNG 3 ƯỚC LƯỢNG CSM TRONG MƠI TRƯỜNG CĨ NHIỄU
GAUSS VÀ HIÊN TƯỢNG PHẢN XẠ.......................................................... 40
3.1 Ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng đến ước lượng
CSM................................................................................................................40
3.2 Khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ trong việc ước lượng
CSM................................................................................................................40

3.2.1 Xây dựng kịch bản mô phỏng...................................................40
3.2.2 Kết quả mơ phỏng..................................................................... 42
KẾT ḶN................................................................................................46
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN VĂN................................................................................. 46
TÀI LIÊU THAM KHẢO........................................................................47

5
DANH MỤC CÁC KÝ HIÊU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết

Nghĩa tiến

tắt
AHI

Algebraic Helmho

ARF

Acoustic Radiatio

ARFI

Acoustic Radiatio
Impulse

CSM

Complex Shear M

CT

Computed Tomog

FDTD

Finite Difference T

LMS

Least Mean Squar

MLEF

Maximum Likelih
Filter

MRI

Magnetic Resonan

SW

Shear Wave

SWEI

Shear Wave Elasti

UT

Ultrasound Tomog


6

DANH MỤC HÌ

Hình 1.1 Tốc độ lan truyền của các mơ thường gặp [2] ...........................
Hình 1.2 Xác định độ sâu của của giao diện nơi tạo ra phản hồi[2] ........
Hình 1.3
Hiện tượng khúc
Hình 1.4
Độ giảm thấu củ
Hình 1.5
Cấu tạo đầu dị
Hình 1.6
Ba loại đầu dị p
Hình 1.
7 Xơ gan qua các giai đoạ
Hình 1.
8 Giá trị độ nhớt của gan
Hình 1.
9 Giá trị độ đàn hồi của ga
Hình 2. 1 Vận tốc hạt và các nút căng ứng xuất trên mặt phẳng (x,y)[17] 29
Hình 2.2 Bộ lọc LMS ................................................................................
Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn bộ lọc LMS ...................................................
Hình 2. 4 Lưu đồ giải thuật ước tính 2D - CSM sử dụng AHI ..................
Hình 2.5 Ảnh 2D lý tưởng độ đàn hồi của mơ ..........................................
Hình 2.6 Ảnh 2D lý tưởng độ nhớt của mơ ...............................................

Hình 3.1 Ảnh đàn hồi lý tưởng .................................................................
Hình 3.2 Ảnh độ nhớt lý tưởng .................................................................
Hình 3.3 Vận tốc sóng hạt theo khơng gian ..............................................
Hình 3.4 Vận tốc sóng phản xạ trong khơng gian .....................................

Hình 3.5 Vận tốc sóng hạt khi khơng có phản xạ ......................................
Hình 3.6
Vận tốc sóng hạ
Hình 3.7
Ước lượng đàn
Hình 3.8
Ước lượng đàn
Hình 3.9
Ước lượng độ n
Hình 3.10 Ước lượng độ nhớt khi khơng có phản xạ ................................


7
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1 Các mức độ xơ hóa gan (độ đàn hồi gan: kPa) .........................

Bảng 2.1 Thống số giá trị đàn hồi và độ nhớt trong mô phỏng..................35
Bảng 2. 2 So sánh sai số chuẩn hóa khi sử dụng bộ lọc LMS và khi không sử
dụng bộ lọc..........................................................................................................39
Bảng 2. 3 Sai số chuẩn hóa khi sử dụng bộ lọc LMS với các mức độ nhiễu
giảm dần..............................................................................................................39
Bảng 3.1 Giá trị trở kháng âm của một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể
người................................................................................................................... 40
Bảng 3.2 Bảng chỉ số sai số chuẩn hóa ước lượng CSM............................44


8
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Ung thư là căn bệnh quái ác đang từng ngày cướp đi sinh mạng của hàng ngàn người
trên thế giới. Tại Việt Nam, số người mắc ung thư đang gia tăng nhanh chóng và trở thành
nỗi lo của toàn xã hội. Theo WHO, tổ chức Y tế thế giới, năm 2018 Việt Nam xếp vị trí
99/185 quốc gia và vùng lãnh thổ với tỉ lệ mắc ung thư là 151,4/100.000 dân. Xếp thứ 19
trong châu Á và thứ 5 tại khu vực Đông Nam Á. Năm 2000 Việt Nam có khoảng 68.000
ca ung thư mắc mới. Năm 2010 đã lên tới 126.000 ca mắc ung thư. Đến năm 2018, con số
mắc mới đã tăng lên gần 165.000 ca/96,5 triệu dân. [11]Và ước tính đến năm 2020 số ca
ung thư mắc mới ở Việt Nam 189.000 người. Như vậy số ca mắc mới ung thư ở Việt Nam
tăng dần theo từng năm và tăng với con số chóng mặt
Việt Nam là quốc gia nằm trong vùng dịch tễ có tỉ lệ viêm gan cao. Ung thư gan
đứng đầu trong các loại ung thư phổ biến với số mắc năm 2018 là 25.335 ca.[5] Tỷ lệ
sống trung bình của bệnh nhân ung thư gan trong vịng 5 năm sau khi được chẩn đốn
là khoảng 9 %. Nếu phát hiện và điều trị bệnh trong giai đoạn đầu, có khoảng 19%
bệnh nhân có khả năng sống trên 5 năm. Tiên lượng sống trên 5 năm cho bệnh nhân
ung thư gan giai đoạn 2 giảm xuống còn khoảng 6,5%. Đến giai đoạn cuối, tỷ lệ sống
sót sau 5 năm của bệnh nhân ung thư gan chỉ còn khoảng 3,5% [1]
Những con số đáng báo động trên cho thấy việc tầm soát và chẩn đoán sớm bệnh
ung thư nói chung và ung thư gan nói riêng là một trong những vấn đề có tính chất
quyết định đến hiệu quả điều trị của người bệnh.
Nhiều nghiên cứu khoa học đã cho thấy ung thư gan phát triển trên nền xơ gan.
Theo các chuyên gia y tế, chẩn đoán xơ gan là một trong những tiêu chí quan trọng
trong việc quyết định điều trị, theo dõi diễn biến bệnh và tiên lượng bệnh. Trong chẩn
đoán xơ gan, sinh thiết gan được xem là tiêu chuẩn vàng. Tuy nhiên, sinh thiết là
phương pháp xâm lấn gây đau và dễ gây biến chứng như: Chảy máu, nhiễm khuẩn...
Các biến chứng nguy hiểm xảy ra ở 1% - 5% bệnh nhân, với tỷ lệ tử vong được ghi
nhận từ 1:1000 đến 1:10 0000 [13] Thêm vào đó sự chính xác của mẫu sinh thiết cũng
là một vấn đề có thể dẫn đến sự sai lệch trong đánh giá xơ gan… Những hạn chế này
của sinh thiết gan đã dẫn đến nhu cầu phát triển các đánh giá xơ hóa gan khơng xâm
lấn phù hợp hơn để sàng lọc, theo dõi và điều trị bệnh. Với sự phát triển của khoa học,
hiện nay kỹ thuật siêu âm sóng biến dạng có thể giúp bác sĩ chẩn đoán độ xơ hoá gan,

độ cứng của khối u.
Siêu âm sóng biến dạng là kỹ thuật mới trong ngành siêu âm, giúp xác định độ đàn
hồi của cơ quan, tổn thương. Kỹ thuật được thực hiện như siêu âm thường quy trên máy
siêu âm có tính năng siêu âm sóng biến dạng. Phương pháp siêu âm này nâng độ đặc hiệu
của chẩn đoán, giúp cho thu hẹp chỉ định sinh thiết mà khơng bỏ sót tổn thương.
Tuy nhiên q trình tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng ln chịu ảnh hưởng của nhiễu
Gauss và hiện tượng phản xạ làm giảm chất lượng hình ảnh do đó đề tài đề xuất “Nghiên


9

-

cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong mơi trường có nhiễu” nhằm nâng cao chất
lượng hình ảnh siêu âm qua đó góp phần giúp bác sĩ đưa ra những chẩn đốn chính xác
hơn.
2. Mục đích nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong mơi trường có nhiễu
nhằm bổ sung đặc tính đàn hồi và nhớt của mô vào ảnh siêu âm, nâng cao chất lượng
hình ảnh siêu âm qua đó góp phần giúp bác sĩ đưa ra những chẩn đốn chính xác hơn.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan tạo ảnh siêu âm
Tìm hiểu về sóng biến dạng

-

Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng với phương pháp sai phân hữu
hạn trong miền thời gian (FDTD) kết hợp bộ lọc LMS và biến đổi ngược đại số
Helmholtz (AHI).

-

Mô phỏng tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong mơi trường có nhiễu Gauss,
khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ảnh siêu âm sóng biến dạng: Ước lượng tính chất đàn
hồi và nhớt của mô mềm sinh học thông qua mô đun shear phức.
Luận văn tập trung nghiên cứu tạo ảnh siêu âm 2D sử dụng sóng biến dạng trong
mơi trường có nhiễu và mô phỏng kiểm chứng.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp chuyên gia,
phương pháp mô phỏng kiểm chứng.
6. Cấu trúc luận văn
Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng
Chương này trình bày ngun lý về siêu âm chẩn đoán và những kiến thức cơ
bản về sự lan truyền sóng biến dạng, phương pháp tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng.
Chương 2: Tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong mơi trường có nhiễu Gauss
Chương này trình bày về quy trình tạo ảnh sóng biến dạng sử dụng phương pháp
sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD), bộ lọc LMS và thuật toán biến đổi
ngược đại số Helmholtz (AHI). Xây dựng kịch bản mô phỏng kiểm chứng và kết quả.
Chương 3: Uớc lượng CSM trong mơi trường có nhiễu Gauss và hiện tượng
phản
xạ
Chương này xây dựng kịch bản mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng
phản xạ sóng biến dạng đến ước lượng CSM.


10
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM SĨNG BIẾN DẠNG
1.1 Ngun lý về siêu âm chẩn đốn
1.1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm
Định nghĩa sóng siêu âm: Là các sóng hình sin tạo bởi những rung động cơ học
trong mơi trường vật chất (có thể đàn hồi, thay đổi hình dạng được). Siêu âm truyền
năng lượng cơ học cho môi trường nhưng khơng ion hóa nó. [4]
Tần số siêu âm thường được sử dụng để chẩn đoán y tế là từ 2 đến 15 MHz.
Sóng siêu âm có thể được tạo ra bởi vật liệu có hiệu ứng áp điện.
Siêu âm là kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh sử dụng sóng siêu âm để chụp và
nghiên cứu các cấu trúc bên trong cơ thể bệnh nhân.
Phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm dựa trên những đặc điểm sau của sóng
âm.
a. Tốc độ truyền của sóng âm
Tốc độ truyền của sóng âm phụ thuộc rất nhiều vào mơi trường truyền âm. Trong
cơ thể, chính tính chất vật lý của mơ quyết định tốc độ lan truyền của sóng âm qua nó.
Theo hình 1.1 ta thấy tốc độ thay đổi đáng kể. Các dụng cụ siêu âm trong y khoa thường
lấy tốc độ trung bình ước định của sóng siêu âm trong các tổ chức phần mềm là 1.540m/s.

Hình 1.1 Tốc độ lan truyền của các mô thường gặp [2]
Tốc độ lan truyền của sóng âm liên quan tới tần số và bước sóng qua phương
trình (1.1)
= ×

Trong đó: c là tốc độ truyền sóng âm (m/s)


11
là tần số (Hz)
là bước sóng (m)
Tốc độ lan truyền là một giá trị đặc biệt quan trọng trong ứng dụng lâm sàng

của siêu âm và mang tính quyết định để xác định khoảng cách từ đầu dò tới giao diện
phản chiếu. Chính sự tính tốn thời gian này giúp siêu âm thu thập thơng tin. Một khi
sóng siêu âm được truyền vào cơ thể, thời gian phản hồi được ghi nhận, có thể tính ra
độ sâu của giao diện nơi tạo ra phản hồi (hình 1.2).

Hình 1.2 Xác định độ sâu của của giao diện nơi tạo ra phản hồi[2]
Độ chính xác của việc đo đạc này tùy thuộc vào sự chênh lệch nhiều hay ít giữa
tốc độ ước định với tốc độ lan truyền thực sự của sóng âm trong mô khảo sát.
b. Trở kháng âm
Trở kháng âm (Z) là một đại lượng vật lý biểu thị cho khả năng cản trở của môi
trường, chống lại không cho siêu âm xuyên qua, nó phụ thuộc vào mật độ và tốc độ
truyền âm của mơi trường theo phương trình (1.2)
= ×

Trong đó:

3

là mật độ của mơi trường (kg/m )

là vận tốc lan truyền của sóng âm trong mơi trường (m/s)
Z là trở kháng âm ( N·s/m³)
Trở kháng âm trong mơi trường có vai trị quyết định đối với biên độ của sóng
phản xạ trên mặt phân cách giữa hai mơi trường. Tại các giao diện giữa hai mơi trường
có độ chênh lệch lớn về trở kháng âm, ví dụ như giữa mơ với khí hoặc với xương,
năng lượng phản hồi gần như hồn tồn, cịn nếu độ khác biệt ít hơn, chỉ một phần
năng lượng phản hồi, phần còn lại vẫn tiếp tục truyền qua. Tương tự tốc độ lan truyền,
trở kháng âm lệ thuộc tính chất vật lý của mơ mà sóng truyền qua.

12
c. Hiện tượng khúc xạ
Một hiện tượng xảy ra khi sóng âm đi từ một mơ này sang một mơ khác mà tốc độ
lan truyền trong môi trường sau cao hơn hoặc thấp hơn so với mơi trường trước, đó là sự
đổi chiều của hướng sóng tới. Sự đổi chiều này gọi là khúc xạ tuân theo luật Snell:
sin ⁄sin = 1⁄

2

Trong đó là góc tới, tạo bởi sóng tới tạo với giao diện, là góc khúc xạ, 1và 2 là tốc độ sóng âm lan truyền trong các mơ tạo nên giao diện (hình 1.3).

Hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ [2]
d.Hiện tượng phản xạ
Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng âm truyền truyền theo phương
thẳng. Khi nguồn siêu âm lan truyền qua hai mơi trường có trở kháng âm khác nhau
xảy ra hiện tượng phản xạ. Một phần năng lượng của chùm siêu âm sẽ phản xạ ngược
trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai.
Năng lượng phản xạ từ giao diện âm được xác định bằng hệ số phản xạ R. Nếu
chùm sóng tới thẳng góc với mặt phản xạ, năng lượng phản hồi được tính bằng phương
trình (1.4)

=

Trong đó Z2 và Z1 là trở kháng của các môi trường tạo nên giao diện.
e. Hiện tượng tán xạ
Hiện tượng tán xạ xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các bề mặt khơng đồng đều
hoặc cấu trúc nhỏ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều bước sóng. Khi đó tia siêu âm bị
phân tán theo các hướng khác nhau và chỉ có một phần nhỏ sóng phản hồi truyền tới
được đầu dị. Hiện tượng tán xạ khơng phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm và có vai
trị quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tụy…).

f. Hiện tượng nhiễu xạ


13
Hiện tượng nhiễu xạ: chùm siêu âm có thể vịng qua vật cản. Hiện tượng này
phụ thuộc vào bước sóng, khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, đường kính của
nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra.
g. Sự hấp thu của tổ chức và độ suy giảm của năng lượng tia siêu âm
Khi sóng âm đi qua mơ, nó sẽ mất năng lượng và biên độ của các sóng áp lực sẽ
giảm dần khi sóng đi xa dần nguồn phát. Sự chuyển dịch năng lượng sang mơ, cụ thể
là nhiệt cùng với sự thất thốt năng lượng do phản hồi và khuếch tán đã tạo nên tình
trạng giảm thấu. Như vậy giảm thấu là hậu quả của tổng hợp các hiệu ứng hấp thu, tán
sắc, nhiễu xạ và phản hồi. Độ giảm thấu lệ thuộc tần số của sóng tới cũng như bản chất
của mơi trường.
=

Trong đó:

0:

0

−2

là cường độ lúc ban đầu

: Cường độ ở độ sâu X
F: tần số sóng siêu âm
X: Chiều dày của mơ xun qua
Sóng có tần số cao sẽ giảm thấu nhanh hơn sóng có tần số thấp và tần số của

đầu dò là tiêu chuẩn quyết định độ sâu hữu ích mà siêu âm có thể thu nhập thơng tin.
Giảm thấu tác động lên hiệu quả xuyên thấu của sóng qua một mơ nào đó (hình 1.4).

Hình 1.4 Độ giảm thấu của các mô thường gặp [2]
1.1.2 Phương pháp tạo hình bằng siêu âm
Đầu dị là thiết bị quan trọng trong siêu âm. Đầu dò phát chùm tia siêu âm vào
trong cơ thể và thu nhận chùm tia siêu âm phản xạ. Đầu dò siêu âm được chế tạo dựa trên
nguyên lý áp điện. Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch: Khi nén và dãn tinh thể thạch
anh theo một phương nhất định thì trên bề mặt của tinh thể theo phương vng góc với
lực kéo, dãn sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và một dịng điện được tạo thành, chiều
của dòng điện thay đổi theo lực kéo hoặc dãn. Ngược lại khi cho một dòng


14
điện xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần
số dòng điện và tạo thành dao động cơ học. [3]
Cấu tạo cơ bản của một đầu dị siêu âm (hình 1.5)
+ Đầu dò siêu âm gồm nhiều chấn tử. Mỗi chấn tử gồm một tinh thể áp điện được

nuôi bằng các chuỗi xung cao tần. Chiều dày của các tinh thể ảnh hưởng đến tần số
đầu dò. Cứ sau mỗi xung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng phản hồi. Độ
lặp lại của các chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán.
+ Đầu dị của máy siêu âm có nhiều dải tần số .
+ Các điện cực áp vào 2 mặt của tinh thể áp điện.
+ Lớp giảm rung để tạo ra một dao động tắt dần nhanh sau khi ngừng tác dụng

xung điện.
+ Lớp đệm tăng cường khả năng truyền năng lượng xung siêu âm truyền ra ngồi

(giảm sự hao tổn).

Hình 1.5 Cấu tạo đầu dò1
Phân loại đầu dò:
- Theo phương pháp quét: Các đầu dò điện tử, các đầu dò cơ khí.
- Theo hình dạng vùng quét: Đầu dị Linear, đầu dị Convex, đầu dị Sector như

hình 1.6.

1 />

15

Hình 1.6 Ba loại đầu dị phổ biến 2
Đầu dị tuyến tính (Linear): Các chấn tử được xếp theo dạng thẳng, sóng âm
được phát ra song song với nhau và tạo ra hình ảnh dạng hình chữ nhật. Lợi thế của
dịng đầu dị này là cho ra hình ảnh siêu âm ở gần có độ phân giải cao. Vùng phủ sóng,
tần số và các ứng dụng của đầu dị tuyến tính phụ thuộc vào việc sản phẩm dành cho
hình ảnh 2D hay 3D. Đầu dị tuyến tính cho hình ảnh 2D có vùng phủ sóng rộng và tần
số trung tâm của nó là 2,5Mhz - 12Mhz. Sử dụng để khám mạch máu, tĩnh mạch, hình
ảnh mạch máu, tuyến vú, tuyến giáp, phẫu thuật nội soi, mổ nội soi, đo độ dày của mỡ
cơ thể và cơ bắp để kiểm tra chăm sóc sức khỏe hàng ngày và kiểm tra hội chứng đầu
máy. Đầu dị tuyến tính cho hình ảnh 3D có vùng phủ sóng rộng hơn và tần số trung
tâm 7,5Mhz - 11Mhz được sử dụng để đánh giá mô mềm và tuyến giáp. Nhược điểm
của đầu dò Linear là mặt tiếp xúc rộng, do đó sẽ tạo ra hình ảnh khơng thật khi khảo
sát ở những vùng góc cạnh, vì khơng khí chen vào chính giữa da và đầu dò.Ứng dụng:
Siêu âm vùng bụng, sản phụ khoa, tuyến giáp, mạch gần bề mặt, nội soi phẫu thuật…
Đầu dò lồi (Convex): Các chấn tử được xếp theo dạng cong cho phép có được
hình ảnh với trường khảo sát rộng hơn và dạng quạt. Đầu dị lồi cho hình ảnh 2D có
vùng phủ sóng tương đối rộng và tần số trung tâm của nó là 2,5 MHz - 7,5 MHz. Đầu
dị này được dùng khảo sát bụng, sản khoa, vùng chậu qua ngả bụng. Đầu dị lồi cho

hình ảnh 3D có trường nhìn rộng và tần số trung tâm 3,5 MHz - 6,5 MHz, có thể sử
dụng để kiểm tra bụng. Các loại đầu dị Convex kích thước nhỏ, tần số cao được ứng
dụng trong thăm khám âm đạo và trực tràng.
Đầu dò mảng pha (Sector - Phased Array): đặt tên theo sự sắp xếp tinh thể áp
điện được gọi là mảng pha và nó là kiểu tinh thể được sử dụng phổ biến nhất. Đầu dị
có vùng phủ sóng nhỏ và tần số thấp tần số trung tâm của nó là 2Mhz - 7.5Mhz. Điểm
chùm tia hẹp nhưng nó có thể được mở rộng tùy thuộc vào tần số được áp dụng. Hơn
nữa, hình dạng chùm tia gần như hình tam giác và độ phân giải trường gần kém. Đầu
dò này thường dùng để khám tim, khám bụng, khám não.
2 />

16
Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm
Máy siêu âm hoạt động theo nguyên lý định vị bằng sóng siêu âm. Khi máy siêu âm
hoạt động, các tinh thể bên trong đầu dị phát ra các sóng siêu âm truyền vào bên trong
cơ thể. Các mô, xương và chất lỏng trong cơ thể - một phần hấp thụ hoặc truyền qua một phần phản xạ lại sóng âm và quay ngược trở lại đầu dị.
Đầu dị thu nhận tín hiệu siêu âm phản hồi từ cơ thể sau đó biến thành dịng
điện. Dịng điện này mang theo thơng tin về độ chênh lệnh trở kháng giữa các cấu trúc
mà chùm tia siêu âm đã xuyên qua và thông tin về khoảng cách từ cấu trúc phản xạ
siêu âm đến đầu dị. Khoảng cách này được tính bằng phương trình (1.6).
=

Trong đó

D: khoảng cách
c: tốc độ siêu âm trong cơ thể

t: Thời gian từ khi phát xung đến khi nhận xung
Đầu dị thu nhận sóng âm phản hồi, gửi các thơng tin này tới bộ xử lý, sau khi
phân tích các tín hiệu phản hồi bằng các phần mềm và thuật tốn xử lý ảnh, kết hợp

các thơng tin để xây dựng và tái tạo thành hình ảnh siêu âm.Tuỳ theo kiểu siêu âm mà
cho ta các thông tin khác nhau về cấu trúc và chức năng của các cơ quan mà ta cần
nghiên cứu.
1.1.3 Các kiểu siêu âm
Siêu âm kiểu A (Amplitude): Ghi lại sóng phản hồi bằng những xung nhọn, mà
vị trí tương ứng với chiều sâu và biên độ tỷ lệ thuận với cường độ của âm vang (echo).
Kiểu A ít có giá trị về chẩn đốn mà thường dùng để đo khoảng cách, kiểm tra sự
chính xác của máy siêu âm.
Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D): Kiểu siêu âm này được sử dụng phổ biến nhất
trong tất cả các chuyên khoa. Mỗi sóng xung kểu B đều được ghi bằng một chấm sáng
nhiều hay ít tùy theo cường độ của âm dội. Sự di chuyển của đầu dò trên da bệnh nhân
cho phép ghi lại cấu trúc âm của các mô trong cơ thể nằm trên mặt phẳng quét chùm
tia, đây là phương pháp siêu âm cắt lớp. Các thông tin này sẽ được thể hiện trên màn
hình thành những chấm trắng đen xám sắp xếp theo một thứ tự nhất định tái tạo nên
hình ảnh của các cơ quan, cấu trúc mà chùm tia đã đi qua.
Để tìm hiểu các cấu trúc có vận động trong cơ thể như tim và các mạch máu
người ta chế tạo đầu dị có vận tốc tạo ảnh lớn hơn 24 hình/giây. Hình ảnh các lớp cắt
sẽ nối tiếp nhau nhanh chóng, nhờ hiện tượng lưu ảnh võng mạc nên ta nhìn thấy ảnh
liên tục, khơng tách rời từng lớp.


17
Siêu âm kiểu TM (TM - Time Motion): Trong kiểu siêu âm này âm vang sẽ ghi
lại theo kiểu A, nhưng chuyển động theo thời gian nhờ màn hình quét ngang thường
xuyên. Do đó những cấu trúc đứng yên trên màn hình là một đường thẳng, cịn những
cấu trúc chuyển động là một đường cong ngoằn nghèo tùy theo sự chuyển động của cơ
quan thăm khám. [8] Siêu âm kiểu này thường dùng để khám tim, đo đạc các thông số
siêu âm về khoảng cách, thời gian đối với những cấu trúc có chuyển động.
Siêu âm kiểu Doppler : Doppler là kỹ thuật ghi lại sóng âm thanh thu được từ
vật thể chuyển động. Ứng dụng hiệu ứng Doppler để đo tốc độ tuần hồn, xác định

hướng của dịng máu và đánh giá lưu lượng máu. Có 3 loại Doppler: Doppler liên tục,
Doppler màu, Doppler xung. Ngày nay người ta cịn mã hóa các dịng chảy của siêu
âm chính là siêu âm Động-màu, siêu âm Doppler năng lượng (Power Doppler), siêu
âm tổ chức (tissue doppler).
Siêu âm kiểu 3D: siêu âm 3D đã được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực sản
khoa. Hiện nay có 2 loại siêu âm 3D, đó là loại tái tạo lại hình ảnh nhờ các phương
pháp dựng hình máy tính và một loại được gọi là 3D thực sự (Live 3D, 3D real time,
4D). Siêu âm 3D do một đầu dị có cấu trúc khá lớn, mà trong đó người ta bố trí các
chấn tử theo hình ma trận, phối hợp với phương pháp quét hình theo chiều khơng gian
nhiều mặt cắt, các mặt cắt theo kiểu 2D này được máy tính lưu giữ lại và dựng thành
hình theo khơng gian 3 chiều.
Hiện nay siêu âm được áp dụng rộng rãi trong chẩn đoán bệnh lý ở các cơ quan
của hệ tiêu hóa, tim mạch, hệ tiết niệu sinh dục, da liễu….Các đầu dò thường dùng với
tần số 2,5 MHz - 10MHz. Siêu âm còn giúp hướng dẫn để dị tìm xác định vị trí,
hướng đi của kim để chọc sinh thiết, can thiệp điều trị nang v.v…Tuy nhiên với siêu
âm thơng thường khó có thể tái tạo lại các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng. Siêu âm chụp
cắt lớp(Ultrasound Tomography - UT) sử dụng kỹ thuật tán xạ có thể thực hiện được
yêu cầu trên. Phương pháp DBIM được sử dụng trong siêu âm chụp cắt lớp. Phương
pháp này biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu siêu âm đo được với sự tương
phản âm thanh khi siêu âm đi qua khối u. Trong [41] nhóm nghiên cứu của chúng tơi
đã kết hợp DBIM với kỹ thuật nội suy để cải thiện chất lượng và thời gian tái tạo hình
ảnh siêu âm chụp cắt lớp.
Ngoài phương pháp siêu âm chụp cắt lớp, một kỹ thuật siêu âm mới cũng đã và
đang được phát triển để nâng cao hiệu quả chẩn đốn hình ảnh, đó là siêu âm đàn hồi
sóng biến dạng. Phương pháp này bổ sung đặc điểm độ nhớt và độ đàn hồi của mơ tổn
thương trên nền hình ảnh siêu âm kiểu B. Kỹ thuật siêu âm đàn hồi sóng biến dạng sẽ
được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo của luận văn.


18

1.2 Những kiến thức cơ bản về sự lan truyền sóng biến dạng
1.2.1 Khái niệm sóng biến dạng
Sóng biến dạng (shear wave - SW) hay cịn gọi là sóng ngang, sóng trượt, sóng
cắt. Sóng biến dạng là sóng có phương dao động vng góc với phương truyền sóng.
Sóng biến dạng truyền chậm hơn sóng dọc, giá trị thường cỡ 60% tốc độ sóng dọc ở
cùng mơi trường. Sóng biến dạng chỉ truyền trong chất rắn hoặc thể vơ định hình gần
rắn, bề mặt chất lỏng, không truyền qua chất lỏng và khí.
Phương trình sóng biến dạng (1.7)
E = 3ρc2

Trong đó:

3

ρ: Mật độ mô hay tỷ trọng mô (mg/m )

c: Vận tốc sóng biến dạng (m/s)
E là mơ đun đàn hồi Young ( Pa)
1.2.2. Nguyên lý tạo và đo vận tốc hạt của sóng biến dạng
Theo phương trình (1.7) trong cùng một loại mơ, vận tốc của sóng cơ học trong
mơ càng lớn thì chứng tỏ mơ càng cứng. Do đó, việc đo được vận tốc lan truyền của
sóng cơ học trong mơ có ý nghĩa rất lớn trong việc chỉ ra đặc tính vật lý của mơ.
Trong kỹ thuật tạo ảnh đàn hồi sóng biến dạng, có hai phương pháp để tạo ra
sóng biến dạng lan truyền trong mơ. Thứ nhất là, sử dụng lực bức xạ âm ARF
(Acoustic Radiation Force) để kích thích sự rung động của mơ và từ đó tạo ra sóng
biến dạng lan truyền trong mơ. Thứ hai là, sử dụng một kim rung để kích thích dao
động tại một vị trí trên mơ, từ đó cũng tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mơ.
a. Phương pháp tạo sóng biến dạng sử dụng lực bức xạ âm ARF
Lực bức xạ âm (ARF) là hiện tượng liên kết với lan truyền sóng âm trong mơi
trường giảm âm, là kết quả của một chuyển đổi động lượng (momentum transfer) từ

sóng siêu âm lan truyền đến mơ qua đó truyền đi theo luật hấp thụ và cơ chế tán xạ.
ARFI (Acoustic Radiation Force Impulse) là một phương pháp mới về siêu âm
đàn hồi không xâm hại để xác định gan xơ hố (hình 2.1). ARFI được thực hiện cùng
lúc với siêu âm thường quy. Vùng khảo sát được chọn bằng hình ảnh siêu âm kiểu
B. Vận tốc sóng biến dạng càng lớn thì mơ khảo sát càng cứng.


19

Hình 1.7 Kỹ thuật ARFI trong siêu âm xác định gan xơ hóa

Hình 1.8 Tạo sóng biến dạng sử dụng ARFI3
Kỹ thuật ARFI [9]
Bước 1: Ghi hình siêu âm 2D cơ bản
Bước 2: Phát xung sóng âm ngắn (100 μm)
+ Xung áp âm gây ra lực nén trong mô
+ Lực nén làm các thành phần mơ dịch chuyển ít nhiều đồng thời tạo ra

sóng biến dạng lan truyền trong mơ .
Bước 3: Những chùm sóng âm được phát đi trong khoảng thời gian ngắn và
liên tục để thu về thông tin dịch chuyển của mơ / so với hình tham khảo trong bước 1.
Bước 4: ước tính giá trị vận tốc sóng biến dạng
Ứng dụng mới của tạo hình xung lực bức xạ âm, được gọi là định lượng mô
Virtual Touch, được thực hiện trên máy Acuson S2000 (Siemens AG, Erlangen, Đức)
với đầu dò sector đa tần số 4-10 MHz, tạo hình hịa âm mơ (tissue harmonic imaging)
4 MHz. Tạo hình xung lực bức xạ âm kích thích cơ học mô bằng cách sử dụng xung
âm thời lượng ngắn (≈262 ms) với tần số truyền cố định là 2,67MHz để tạo ra dời chỗ
mô khu trú, và các dời chỗ mô được theo dõi bởi các phương pháp tương quan siêu âm
(ultrasound correlation-based methods).(Hình 1.8)
Ưu điểm của ARFI[12]

3Hình ảnh bản quyền của Siemens


20
-

ARFI là một phương pháp đánh giá xơ hóa gan khơng xâm lấn, thời gian thực
hiện ngắn.
Vùng khảo sát có thể quan sát được nên tránh được các mạch máu và chọn

được độ sâu để đo.
-

Phần mềm ARFI được cài đặt vào máy siêu âm thơng thường, do đó vừa khảo
sát hình ảnh của gan vừa đánh giá độ cứng của gan cùng lúc
ARFI có thể đo được ở bệnh nhân có báng bụng, khoảng gian sườn hẹp và chỉ
số BMI cao trong khi transient elastography (FibroScan) không thực hiện được

Nhược điểm của ARFI:
-

Vùng khảo sát nhỏ (0,5cm x 1cm)
Kỹ thuật chưa được đánh giá rộng rãi như FibroScan

b. Phương pháp sử dụng một kim rung để kích thích dao động tại một vị trí trên mơ, từ
đó tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mơ
Phương pháp sử dụng kim rung để tạo sóng biến dạng trong mơ cũng được
Frulio và cộng sự sử dụng trong [19]. Trong nghiên cứu này SWEI được dùng để đánh
giá các bệnh liên quan đến Gan (hình 1.9).

Hình 1.9 Tạo sóng biến dạng sử dụng kim rung trong chẩn đốn bệnh gan
Việc mơ phỏng nguyên lý tạo và đo vận tốc hạt của sóng biến dạng lan truyền
trong mơ là dựa trên thực nghiệm được tiến hành trong [32]. Thí nghiệm được mơ tả
như hình 1.10: một chiếc kim (làm bằng thép khơng gỉ, đường kính 1.5 mm và dài 13
cm) được điều khiển rung dọc trục bởi một bộ truyền động có thể điều chỉnh tần số
dao động. Chiếc kim này tạo ra sự rung dọc theo trục z với tần số rung trong khoảng từ
50 Hz đến 450 Hz. Do đó, sóng biến dạng được truyền trong các lớp mặt phẳng (X,Y)
vng góc với trục Z (trục dao động của kim rung). Đo vận tốc hạt của sóng biến dạng
bằng hệ thống siêu âm Doppler.


21

Hình 1.10 Tạo và đo sóng biến dạng trong mơ
Phương trình (1.8) được sử dụng để tính tốn vận tốc hạt v(r,t) tại vị trí khơng
gian r và thời gian t [33].

( ,)=

Trong đó A là biên độ rung của kim, r 0 là vị trí khơng gian của kim, ϕ là pha ban
đầu, α và ks tương ứng là hệ số suy hao và số sóng ở vị trí khơng gian r.
Tuy nhiên, phương trình (1.8) khơng phản ánh được sự lan truyền sóng biến
dạng trong mơ thực, đặc biệt trong mơi trường khơng đồng nhất. Do đó, phương pháp
FDTD (Finite Difference Time Domain) được sử dụng với sự giả định rằng sự lan
truyền sóng biến dạng dọc trục xuyên tâm và bỏ qua sự hấp thụ của môi trường sẽ
được trình bày cụ thể trong chương 2.
1.3 Phương pháp tạo ảnh siêu âm đàn hồi sóng biến dạng trong chẩn đốn bệnh

Nhiều loại mơ cơ thể được cấu tạo nên từ các thành phần khác nhau nên chúng

có độ cứng khác nhau. Các biến đổi bệnh lý khiến cho mơ thay đổi độ cứng. Các mơ
bệnh lý có thể có cùng độ phản hồi âm, nhưng chúng có độ cứng khác nhau, các mơ
càng ác tính thì độ cứng càng tăng. Vì vậy khi đánh giá được độ cứng của mô tổn
thương sẽ cung cấp thêm thông tin về bản chất của mơ đó.
Những mơ bệnh lý có cùng độ phản hồi âm thì trên hình ảnh siêu âm kiểu B
khó phân biệt tính chất lành tính hay ác tính, siêu âm Doppler có thể hỗ trợ thêm cho
nhận định, những khối u ác thường tăng sinh mạch máu nhiều, nhưng nhiều trường
hợp sự tăng sinh mạch máu cũng khơng rõ ràng vì vậy vẫn khó nhận định tính chất
lành tính hay ác tính. Siêu âm đàn hồi mô sẽ giúp bổ sung thêm thông tin về đặc tính
của mơ tổn thương để làm tăng khả năng chẩn đoán


22
Siêu âm đàn hồi mô là một bước tiến mới trong ngành siêu âm. Phương pháp
này được đề xuất vào năm 1991.

Hình 1.11 Ba phương pháp siêu âm thường được phối hợp để hỗ trợ giúp đánh giá tổn
thương được chính xác [6]
1.3.1. Nguyên lý của siêu âm đàn hồi mô
Nguyên lý của siêu âm đàn hồi là cùng một lực tác động, mô mềm sẽ biến dạng
nhiều và mô cứng biến dạng ít hơn. Khi ta ấn vào một vật, tùy theo độ cứng của vật mà
vật biến dạng hoặc dịch chuyển khác nhau. Sự biến dạng và dịch chuyển đó sẽ được
ghi lại và mã hóa bằng màu sắc gọi là bản đồ đàn hồi (Xem hình 1.12) Dựa vào bản đồ
đàn hồi có thể lượng hóa được mức độ cứng của các vùng mô. Thang màu được hiển
thị bên cạnh hình ảnh siêu âm.

Hình 1.12 Bản đồ đàn hồi [14]
Siêu âm đàn hồi được phân thành 2 loại: tạo hình đàn hồi biến dạng mơ (strain
elastography) và tạo hình đàn hồi sóng biến dạng (Shear-wave elastography). Phương

23
pháp siêu âm đàn hồi bằng cách tác động một lực từ bên ngoài lên tổn thương để gây ra
biến dạng tổn thương được gọi là tạo hình đàn hồi biến dạng mô. Khi thực hiện người làm
siêu âm ấn đầu dò bằng một lực nhất định để tác động lên mô tổn thương. Nhược điểm
của phương pháp này là lực ấn đầu dị khó xác định nên giữa lần này và lần khác
ở cùng một người, giữa người này và người khác lực tác động sẽ khác nhau làm kết
quả không thống nhất. Để khắc phục nhược điểm trên người ta dùng phương pháp siêu
âm đàn hồi sóng biến dạng.

1.3.2 Nguyên lý siêu âm đàn hồi sóng biến dạng
Phát một chùm sóng siêu âm tần số 50Hz vào mơ tổn thương, sóng siêu âm là sóng
dọc nó sẽ tác động vào mô tổn thương một lực cơ học xác định làm mô tổn thương bị biến
dạng nén theo chiều dọc và dãn theo chiều ngang. Những rung động giãn theo chiều
ngang sẽ tạo ra sóng rung động ngang. Tùy theo độ cứng của mơ mà tốc độ của sóng rung
động ngang khác nhau, mơ càng cứng thì tốc độ sóng rung động ngang càng tăng. Đầu dị
siêu âm sẽ thu nhận sóng này và mã hóa ra bằng màu sắc để tạo ta bản đồ đàn hồi mơ, từ
đó giúp ta lượng hóa được độ cứng của mơ, đơn vị là m/s hoặc kPa.

Ưu điểm của phương pháp siêu âm đàn hồi sóng biến dạng là khơng phụ thuộc
vào người làm siêu âm.
1.4 Ứng dụng siêu âm sóng biến dạng trong chẩn đốn xơ gan
Xơ hóa gan là sự tích tụ quá mức của các protein chất nền ngoại bào bao gồm
cả colllagen xảy ra ở hầu hết các loại bệnh gan mãn tính. Xơ hóa gan tiến triển dẫn đến
xơ gan, suy gan…Xơ gan là tình trạng các tế bào gan bị tổn thương liên tục trong thời
gian dài đặc trưng bởi sự thay thế mô gan bằng mô xơ, sẹo và sự thành lập các nốt tân
sinh dẫn đến mất chức năng gan.

Hình 1. 7 Xơ gan qua các giai đoạn4

4 />