Tài liệu Luận văn cntt nghiên cứu phát triển một số giải thuật nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp

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 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 PET Positron Emission Tomograpgy SPECT DBIM Chụp cắt lớp bằng bức xạ positron Single Photon Emission Chụp cắt lớp điện toán bằng Computed Tomography bức xạ đơn photon Distorted Born Iterative Method Phƣơng pháp lặp vi phân Born 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 Evaluation siêu âm điện toán High-resolution Ultrasonic Siêu âm cắt lớp độ phân giải Transmission Tomography cao MoM Method of Moment Phƣơng pháp moment LSP Least Square Problem RRE Relative Residual Error Sai số thặng dƣ tƣơng đối RoI Region of Interest Vùng quan tâm CS CURE HUTT Bài toán bình phƣơng tối thiểu 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 Giải thích ý nghĩa Ký hiệu Số sóng trong môi trƣờng nền Số sóng trong môi trƣờng không đồng nhất ⃗ Áp suất âm tổng ⃗ ⃗ Áp suất sóng tới Áp suất tán xạ Hàm Green Hàm mục tiêu ̅ Áp suất của những điểm bên trong vùng chia lƣới ̅ Ma trận với các hệ số là hàm Green biểu thị sự tƣơng tác của các điểm ảnh đến máy thu ̅ Ma trận với các hệ số là hàm Green biểu thị sự tƣơng tác giữa các điểm ảnh ̅ Ma trận đơn vị Toán tử biến véctơ thành ma trận đƣờng chéo ̅ Véc tơ thể hiện sự sai khác giữa tín hiệu tán xạ đo đƣợc và tín hiệu tán xạ tiên đoán ̅ Ma trận hệ thống Tham số chuẩn tắc trong chuẩn tắc Tikhonov Toán tử Laplace bmn( ⃗ Các hàm cơ bản ̅ Ma trận cơ sở lấy mẫu ̅ Ma trận cơ sở trực giao ̅ Véctơ tín hiệu thƣa cần khôi phục ̅ Véctơ giá trị đo ngẫu nhiên ̅ Nhiễu ̅ Véctơ tín hiệu thƣa Sai số ngƣỡng thềm Chuỗi ánh xạ lôgistic Tham số điều khiển Nt Số máy phát Nr Số máy thu N Số điểm chia lƣới Tỉ số nén Tham số chuẩn tắc trong l1-LSP Tổng số vòng lặp trong phƣơng pháp DCS-DBIM f Tần số máy phát Độ lệch pha ̅ ̂̅ Ma trận ảnh gốc Ma trận ảnh khôi phục Số vòng lặp với tần số f1 Tổng số vòng lặp trong phƣơng pháp DF-DBIM Bán kính đối tƣợng quan tâm Γ(•) Hàm gamma 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 Xray 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