Tài liệu Phát triển mô hình tạo ảnh dbim lai sử dụng phương pháp nội suy lân cận điểm gần nhất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ====== ĐÀM THỊ THU HÒA PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TẠO ẢNH DBIM LAI SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY LÂN CẬN ĐIỂM GẦN NHẤT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn HÀ NỘI - 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ====== ĐÀM THỊ THU HÒA PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TẠO ẢNH DBIM LAI SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY LÂN CẬN ĐIỂM GẦN NHẤT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Người hướng dẫn khoa học TS. TRẦN QUANG HUY HÀ NỘI - 2019 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Quang Huy, Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Tổ Vật lý kĩ thuật và các thầy cô giáo trong Khoa đã dạy dỗ tôi trong suốt 4 năm học và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa luận của mình. Qua đây, tôi cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những người thân đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình làm khóa luận. Đây là đề tài tôi dày công nghiên cứu cùng với thầy hướng dẫn, vì vậy, tôi hy vọng rằng, nó sẽ là tài liệu bổ ích cho những người quan tâm về lĩnh vực này, mọi chi tiết cầ n điều chỉnh, bổ sung xin liên hệ tới [email protected]. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 4 năm 2019 Sinh viên thực hiên Đàm Thị Thu Hòa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận này do tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Quang Huy. Đề tài này không trùng với kết quả của bất kì khóa luận nào trước đây. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 4 năm 2019 Sinh viên thực hiên Đàm Thị Thu Hòa DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT X X-ray X quang US Ultrasound Siêu âm UT Ultrasound Tomography Siêu âm cắt lớp MRI Magnetic resonance imaging Tạo ảnh cộng hưởng từ PET Positron Emission Tomography Tạo ảnh dựa trên ứng dụng hạt nhân-PET CT Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp điện toán BIM Born Iterative Method Phương pháp lặp Born DBIM Distorted Born Iterative Method Phương pháp lặp vi phân Born UCT Utrasonic Computerd Tomography Hê ̣ thố ng lâm sàng chu ̣p siêu âm cắ t lớp EPR Electron Paramagnetic Resonance Tạo ảnh dựa trên cộng hưởng thuận từ electron TMS Techniscal Medical Systems Máy scan DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC VÀ Ý NGHĨA Kí hiệu Ý nghĩa n0 Số sóng của môi trường nền(tức là môi trường nước) n(r) Số sóng của môi trường đối tượng S (r) Áp suất âm tổng S inc (r) Áp suất sóng tới G0(.) Hàm Green A(r) Hàm mục tiêu(cần được khôi phục) S Áp suất của những điểm bên trong lưới Ssc Áp suất của những điểm bên ngoài lưới (Áp suất tán xạ) B Ma trận với các hệ số là hàm Green Go(r, r') C Ma trận với các hệ số là hàm Green Go(r, r') I Ma trận đơn vị D(.) Toán tử biến véctơ thành ma trận đường chéo. M = B.D(S ) Với mỗi máy phát, máy thu ta có 1 ma trận M A Véc tơ chưa biết A có NxN biến, nó bằng với số điểm ảnh trong vùng ROI  Ssc Véc tơ thể hiện sự sai khác giữa tín hiệu tán xạ đo được và tín hiệu tán xạ tiên đoán. Ms Ma trận hệ thống  𝛻2, ∆ ‖𝑍𝑥 − 𝑏‖2 Tham số chuẩn tắc Toán tử Laplace Thặng dư bình phương MỤC LỤC PHẦN 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài. .......................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu (các kết quả cần đạt được). ........................................ 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 4 4. Nhiệm vụ nghiên cứu. ................................................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 4 6. Nội dung nghiên cứu. .................................................................................... 4 PHẦN 2: NỘI DUNG ....................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP ................................................................................................................... 5 1.1. Các kĩ thuật tạo ảnh y sinh. ........................................................................ 5 1.1.1 Kĩ thuật tạo ảnh dựa trên ứng dụng tia X. ............................................... 5 1.1.2. Kĩ thuật tạo ảnh dựa trên ứng dụng siêu âm (US). ................................. 8 1.1.3. Kĩ thuật tạo ảnh dựa trên ứng dụng cộng hưởng từ. ............................. 12 1.1.4. Kĩ thuật tạo ảnh dựa trên ứng dụng hạt nhân. ....................................... 15 1.1.5. Kĩ thuật tạo ảnh sử dụng sóng siêu âm biến dạng (Ultrasound shear-wave imaging). ...................................................................................... 16 1.2. Nguyên lí lan truyền sóng siêu âm. .......................................................... 17 1.3. Chụp cắt lớp siêu âm sử dụng tán xạ ngược. .......................................... 18 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP. ....................... 20 2.1. Nguyên lý phương pháp lặp vi phân Born (DBIM). ................................ 20 2.2. Vấn đề tính toán trong việc thực thi DBIM. ............................................ 25 CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TẠO ẢNH DBIM LAI SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY LÂN CẬN ĐIỂM GẦN NHẤT ........... 29 3.1. Phương pháp lặp Born (BIM): ................................................................. 29 3.2. Phương pháp lặp vi phân Born (DBIM) .................................................. 30 3.3. Kỹ thuật nội suy lân cận gần nhất. ........................................................... 32 3.4. Phương pháp đề xuất. ............................................................................... 34 3.5. Mô phỏng và kết quả ................................................................................ 37 PHẦN 3: KẾT LUẬN ..................................................................................... 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 45 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mô hình kích thích hạt nhân (cộng hưởng) và quá trình dẫn (bức xạ năng lượng dưới dạng tín hiệu RF).................................... 13 Hình 1.2. Mô tả mối liên hệ giữa thời gian T1 và T2 với mức độ từ hóa và cường độ tín hiệu trên phim chụp. ...................................... 14 Hình 2.1: Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh siêu âm cắt lớp ................................ 21 Hình 2.2. Cấu hình hệ đo dữ liệu tán xạ ......................................................... 25 Hình 3.1. Ảnh được nội suy sử dụng kĩ thuật lân cận gần nhất ...................... 33 Hình 3.2. Hệ tọa độ khi xác định điểm ảnh của kĩ thuật nội suy lân cận gần nhất ........................................................................................... 34 Hình 3.3: Hàm mục tiêu lí tưởng tức là u lạ trong môi trường đồng nhất cần được khôi phục (N=8). ..................................................... 38 Hình 3.4: Cấu hình hệ đo ở kịch bản mô phỏng, 18 máy phát và 18 máy thu được bố trí đều trên một vòng tròn xung quanh đối tượng ............................................................................................... 39 PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Mỗi năm toàn cầu có khoảng hơn 10 triệu người mắc bệnh ung thư và 80% trong số đó tử vong vì căn bệnh này. Tại Việt Nam, ước tính có 12.000 ca mắc với hơn 4.000 người tử vong mỗi năm và ung thư vú chiếm 20% trong tổng số các loại bệnh ung thư. Ung thư vú nếu được phát hiện sớm (giai đoạn 1) khả năng điều trị khỏi có thể đạt tới 80% - 90%; nếu phát hiện trễ tỉ lệ điều trị khỏi rất thấp (dưới 20%) Đặc biệt trong bối cảnh sự bùng nổ các căn bệnh ung thư, chẩn đoán hình ảnh được sử dụng như một phương pháp hữu hiệu nhất phát hiện sớm bệnh ung thư. Việc phát hiện ung thư vú ở phụ nữ hiện nay thường được thực hiện bằng các kĩ thuật như siêu âm, chụp X -quang hay chụp cắt lớp cộng hưởng từ. Tuy nhiên phần lớn các kĩ thuật trên chưa thể phát hiện triệt để các khối u ở kích thước rất nhỏ trong quá trình tầm soát căn bệnh này. Ví dụ kĩ thuật siêu âm có ưu điểm là thực hiện đơn giản với giá thành rẻ, không độc hại và kết quả ảnh đầu ra có khả năng phân biệt được các môi trường khác nhau tuy nhiên phương pháp tạo ảnh truyền thống B-mode còn hạn chế về chất lượng ảnh, gây ảnh hưởng đến quá trình chuẩn đoán bệnh. Đối với kĩ thuật chụp X-quang sử dụng tia X liều thấp để kiểm tra vùng ngực, kết quả chụp có thể chẩn đoán những tổn thương nhỏ và phát hiện được khối u nhỏ ở giai đoạn rất sớm với dấu hiệu vôi hóa rất nhỏ. Phương pháp này tạo ảnh nhanh chỉ trong vòng vài phút tuy nhiên chỉ 71-96 % kết quả là chính xác.Với những phụ nữ qua tuổi trung niên có khả năng mắc bệnh cao thì mô vú quá dày đặc không cung cấp được độ tương phản cần thiết để kĩ thuật này có thể phát hiện được khối u nhỏ. Còn phương pháp chụp cộng hưởng từ MRI cho phép nghiên cứu các khối u về phương diện sinh học và hóa học, nhưng chi phí cao. Mặc dù MRI có độ nhạy trong việc phát hiện ung thư vú cao hơn so với chụp X-quang, nhưng đôi khi cũng bỏ sót một vài ung thư mà tia X-quang có thể tìm ra. Vì 1 thế, chụp MRI vú chỉ được khuyến cáo thực hiện kết hợp với các xét nghiệm khác như chụp X-quang vú hoặc siêu âm vú. Giải quyết một số vấn đề ở trên kĩ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp ra đời có ưu điểm an toàn, không xâm lấn, rẻ tiền, có khả năng phát hiện được các u lạ, dựa trên kĩ thuật tán xạ ngược. Ứng dụng chủ yếu của kĩ thuật này là để phát hiện các u lạ có kích thước rất nhỏ (khoảng 0.7mm), phục vụ chẩn đoán sớm căn bệnh. Tuy nhiên một vài nhược điểm của kĩ thuật này có thể kể đến đó là ảnh siêu âm có độ phân giải thấp, tốc độ tạo ảnh chậm, độ chính xác chưa cao, còn ảnh hưởng bởi nhiễu… Vì vậy chúng tôi tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp bằng việc ứng dụng phương pháp nội suy lân cận điểm gần nhất để tăng tốc quá trình tạo ảnh của phương pháp DBIM lai. Phương pháp lặp Born (Born Iterative Method – BIM) và lặp vi phân Born (Distorted Born Iterative Method – DBIM) là hai phương pháp được cho là tốt nhất hiện nay cho tạo ảnh tán xạ. Siêu âm chụp cắt lớp (UT) là một kỹ thuật đầy hứa hẹn thuộc lĩnh vực siêu âm định lượng. Chế độ tạo ảnh của phương pháp này phức tạp hơn so với phương pháp tạo ảnh B-mode thông thường. Thông tin định lượng của các mô như sự suy giảm hoặc độ tương phản âm được khai thác để phát hiện các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của sóng tới. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây về UT có độ phức tạp cao bởi vì chúng phải giải quyết các vấn đề lớn về bài toán nghịch. Trong số các kỹ thuật khác nhau được đề xuất cho UT, Phương pháp lặp Born (BIM) và Phương pháp lặp vi phân (DBIM) dựa trên xấp xỉ Born đã được giới thiệu là phương pháp chụp cắt lớp nhiễu xạ hiệu quả. DBIM có thể cung cấp sự hội tụ nhanh chóng so với BIM. Tuy nhiên, BIM ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Chúng tôi đề xuất một quy trình tạo ảnh BIMNội suy-DBIM đơn giản và hiệu quả để giảm độ phức tạp tính toán, tăng tốc và cải thiện việc tái tạo hình ảnh. Trong quy trình tạo ảnh này, sự kết hợp giữa BIM và DBIM sẽ khai thác cả hai ưu điểm của các phương pháp này và giảm nhược điểm của chúng trong khi quá trình nội suy ở giai đoạn giữa sẽ làm tăng tốc độ hội tụ. Các kịch bản mô phỏng đã được thực hiện để chứng minh hiệu quả của phương pháp được đề xuất. 2 Với mục tiêu rút ngắn thời gian tái tạo ảnh siêu âm cắt lớp trong khi vẫn phải đảm bảo chất lượng ảnh khôi phục để có thể áp dụng tạo ảnh trong y tế, tác giả đưa ra phương pháp hỗ trợ quyết định ngưỡng áp dụng cho DBIM Lặp vi phân Born. Nội dung của phương pháp được trình bày dưới đây. Nguyên lý hoạt động: Máy phát sử dụng sóng siêu âm (ở đây dùng chùm Bessel) truyền tới đối tượng, khi gặp đối tượng các sóng siêu âm sẽ bị tán xạ ra mọi hướng và được thu tại máy thu. Tín hiệu thu được sẽ được chuyển thành tín hiệu điện để khuếch đại và xử lý. Cuối cùng sẽ cho ra hình ảnh đối tượng. Việc thực hiện đo thực tế có thể làm theo 2 cách sau: Cách 1: Tất cả các máy phát và máy thu đều cố định trong suốt quá trình đo. Vật thể sẽ được xoay quanh trục trung tâm với 1 bước nhảy xác định. Nhận xét rằng một máy thu và Nr máy phát được đặt đối xứng nhau nhằm đảm bảo không bị hiện tượng dịch pha gây lỗi khi khôi phục ảnh . Cách 2: Cố định vật thể, tại một vị trí máy phát xác định sẽ tiến hành đo trên Nr máy thu ở vị trí đối xứng. Trên thực tế chỉ cần một máy thu nhưng thực hiện Nr lần đo ứng với một vị trí máy phát. Sau đó khi dịch máy phát đi một góc thì Nr máy thu kia cũng tự động dịch chuyển một cách tương ứng. Xuất phát từ những quan điểm trên tôi quyết định chọn đề tài: “Phát triển mô hình tạo ảnh DBIM lai sử dụng phương pháp nội suy lân cận điểm gần nhất”để tìm hiểu và phát triển sâu hơn về kiến thức này. 2. Mục đích nghiên cứu (các kết quả cần đạt được). Nghiên cứu nâng cao chất lượng hình ảnh siêu âm cắt lớp bằng việc đề xuất giải pháp kết hợp phương pháp lặp Born (BIM) và phương pháp lặp vi phân Born (DBIM). Nghiên cứu phương pháp nội suy lân cận điểm gần nhất để tối ưu về thời gian cũng như đơn giản hóa các bước xử lý khôi phục hình ảnh. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 3.1 Đối tượng nghiên cứu Mô hình tạo ảnh DBIM lai sử dụng phương pháp nội suy lân cận điểm gần nhất. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Lĩnh vực tạo ảnh siêu âm cắt lớp ứng dụng trong chuẩn đoán y khoa. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu. Nghiên cứu mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp BIM và DBIM. Nghiên cứu Mô hình tạo ảnh DBIM lai sử dụng phương pháp nội suy lân cận điểm gần nhất. 5. Phương pháp nghiên cứu. Lý thuyết kết hợp với mô phỏng. 6. Nội dung nghiên cứu. 4 PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP 1.1. Các kĩ thuật tạo ảnh y sinh. 1.1.1 Kĩ thuật tạo ảnh dựa trên ứng dụng tia X. 1.1.1.1. Kĩ thuật chụp X quang (X- ray). Bản chất của tia X là một bức xạ điện từ có một số tính chất như: Có khả năng đâm xuyên qua cơ thể người, suy giảm sau khi đi qua các cơ chất khác nhau, kích sáng một số muối kim loại, ứng dụng để chiếu trên màn huỳnh quang hay trên bóng tăng sáng truyền hình và có khả năng ion hóa, ứng dụng cho việc chế tạo các buồng đếm, các loại detector đo lường. Tia X còn có tác dụng lên nhũ tương trên phim ảnh và có tác dụng sinh học ứng dụng trong xạ trị liệu. Nguyên lý hình chiếu trong không gian ba chiều, cho phép phân tích được hình ánh sáng tối bình thường, bệnh lý các cơ quan trong cơ thể trong buồng tối . Vì vậy người ta sử dụng kĩ thuật chụp ảnh X quang là một trong những phương pháp tạo ảnh y sinh phổ biến nhất hiện nay. Kết quả chụp có thể chẩn đoán những tổn thương nhỏ và dấu hiệu vôi hóa rất nhỏ. Phương pháp này tạo ảnh nhanh chỉ trong vòng vài phút tuy nhiên chỉ 71-96 % kết quả là chính xác và cần thận trọng đối với các dòng tế bào non, tủy xương tạo huyết, thủy tinh thể, bào thai thời kỳ đầu. 1.1.1.2. Kĩ thuật chụp cắt lớp điện toán (CT). Chụp cắt lớp vi tính còn được gọi là chụp CTscanner (computed tomography). Hình ảnh phim chụp cắt lớp vi tính được tạo ra dựa trên nguyên lý tạo ảnh kỹ thuật số. Trên mặt cắt của một cấu trúc được chia ra rất nhiều đơn vị thể tích liên tiếp nhau, mỗi đơn vị thể tích sẽ được hiện lên trên ảnh như một điểm nhỏ gọi là điểm ảnh (pixel).Các đơn vị thể tích được mã hoá các thông số về đặc điểm tỉ trọng, vị trí (toạ độ) và được máy tính ghi lại. Sau đó máy tính dựng lại hình ảnh của mặt cắt dựa trên các thông số đã ghi của các đơn vị thể tích để tạo ra hình ảnh của cấu trúc trên lớp cắt. Phương pháp này cho phép phân biệt các cấu trúc cơ thể trên cùng một mặt phẳng có độ 5 chênh lệch tỉ trọng 0, 5%. Nếu số điểm ảnh càng nhiều (các đơn vị thể tích càng nhỏ) thì hình ảnh càng mịn (ảnh càng nét). Số lượng điểm ảnh được gọi là độ phân giải của ảnh. Như vậy độ phân giải càng cao thì ảnh càng nét, cho phép phân biệt ranh giới giữa các cấu trúc càng rõ và cho phép phát hiện được các tổn thương có cấu trúc nhỏ. Phương pháp này cho ra những hình ảnh lát cắt của cơ thể với sự phân tích tỷ trọng 100 lần chính xác hơn trên hình ảnh X quang thường quy. Chùm tia X rất hẹp được phát ra từ bóng X- quang sau khi đi xuyên qua một phần của cơ thể sẽ bị tiêu hao và được thu nhận bởi đầu tiếp nhận hay đầu thu.Đầu tiếp nhận này được cấu tạo bằng các tinh thể nhấp nháy hoặc bằng các buồng ion hoá cho phép lượng hoá số đo. Độ nhạy của các đầu tiếp nhận cao hơn rất nhiều so với phim X quang. Bóng X quang và đầu tiếp nhận được cố định bằng khung kim loại và hai bộ phận này quay quanh vùng cần chụp của cơ thể nằm giữa chùm tia.Nhờ sự di chuyển vòng quanh bệnh nhân của chùm tia theo một mặt phẳng cắt hàng loạt các phép đo được thực hiện ở các góc độ khác nhau. Ở mỗi vị trí của chùm tia, một mã số về độ suy giảm tuyến tính (linear attenuation) được ghi nhớ trong bộ nhớ. Khi chuyển động quét kết thúc, bộ nhớ đã ghi nhận được một số lượng rất lớn những số đo tương ứng với những góc khác nhau trong mặt phẳng quét. Hệ thống thu nhận dữ liệu (data acquisition system: D.A.T) mã hoá và truyền vào máy tính độ hấp thụ của chùm tia này với độ chính xác rất cao. Tổng hợp những số đo và nhờ máy vi tính xử lý các số liệu đó ta có những kết quả bằng số. Nhờ những bộ phận tinh vi khác có trong máy, các số đó được biến thành hình ảnh và hiện trên màn ảnh máy thu hình với hình ảnh một lát cắt ngang qua cơ thể. 1.1.1.3. Kĩ thuật siêu âm tuyến vú (Mammography). Siêu âm vú là kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm khảo sát tuyến vú nhằm tái tạo hình ảnh và cấu trúc tuyến vú, giúp phát hiện ra những bất thường về hình thái của tuyến vú. 6 Nó là mô ̣t ki ̃ thuâ ̣t không gây nguy hiể m, sử du ̣ng sóng âm tầ n số cao để dựng nên các hình ảnh. Sóng âm đi xuyên qua vú và dô ̣i la ̣i (echo) từ các mô khác nhau, ta ̣o nên hin ̀ h ảnh của các cấ u trúc bên trong vú. Siêu âm tuyến vú có thể phân biệt chính xác giữa u nang có dịch với u đặc, vì vậy nó giúp hỗ trợ đánh giá và chẩn đoán sau khi bác sĩ phát hiện bất thường trên phim Xquang. Nhất là đối với những phụ nữ dưới 35 tuổi có kết quả chụp nhũ ảnh không rõ ràng thì bước xét nghiệm đầu tiên sẽ là siêu âm. Ngoài ra phương pháp này còn có thể phát hiện những sang chấn thương nhỏ mà bình thường không thể nhìn thấy hoặc sờ thấy. Với đặc điểm không chứa tia phóng xạ nên siêu âm tuyến vú được khuyến cáo sử dụng cho những bệnh nhân nữ đang mang thai có bất thường ở tuyến vú . Mô ̣t trong những chỉ đinh ̣ khác của siêu âm vú là đánh giá các túi cấ y phẫu thuâ ̣t thẫm mỹ ở vú, xem chúng có bi ̣ vỡ hay rỉ dich ̣ hay không. Viêm tuyế n vú, có hình thành những ổ viêm nhiễm hay abscess cũng có thể đươ ̣c chẩ n đoán và theo dõi dựa trên siêu âm vú. Sự dày lên và phù nề da vùng vú có thề là dấ u hiêụ của mô ̣t ung thư vú da ̣ng viêm nhiễm. Siêu âm tuyến vú đôi khi cũng có thể phát hiêṇ những phát triển ung thư bên trong vú gây nên sự dày lên của lớp da ở vú. Những trường hơ ̣p này thường đươ ̣c chỉ đinh ̣ sinh thiế t qua hướng dẫn của siêu âm. Siêu âm cũng hướng dẫn mũi kim trong nhiề u thủ thuâ ̣t xâm lấ n, bao gồ m: cho ̣c hút nang, cho ̣c hút sinh thiế t, hướng dẫn kim sinh thiế t có lõi (bước đầ u tiên trong viê ̣c xác đinh ̣ điề u tri ̣ cho mô ̣t sang thương nghi ngờ ung thư). Sinh thiế t với sự hướng dẫn của siêu âm đã có nhiề u tiế n bô ̣ rõ rêt.̣ Siêu âm có thể hướng dẫn mũi kim đế n chỗ sang thương và loa ̣i bỏ nó chỉ qua sinh thiế t. Siêu âm còn đươ ̣c cho là có thể xác đinh ̣ chính xác mức đô ̣ xâm lấ n mô xung quanh của mô ung thư trong những sang thương không thể nhiǹ hoă ̣c sờ thấ y. Cho đến thời điểm hiện tại, siêu âm vú vẫn được xem là một phương pháp an toàn, đơn giản, chi phí vừa phải, không độc hại do không sử dụng tia 7 phóng xạ, không xâm lấn, không đau, kết quả nhanh chóng và sử dụng được cho mọi lứa tuổi từ trẻ em đến người già. 1.1.2. Kĩ thuật tạo ảnh dựa trên ứng dụng siêu âm (US). 1.1.2.1. Kĩ thuật siêu âm A-mode. Sóng siêu âm được truyền vào trong cơ thể tới mặt vật thể thì bị phản xạ một phần về phía đầu dò, sau đó sóng phản hồi sẽ được ghi lại bằng những xung nhọn trên dao động kí và hiển thị biên độ tín hiệu điện áp được lấy mẫu của sóng âm, nó là một hàm của thời gian. Chiều cao thể hiện độ lớn của biên độ còn vị trí thể hiện chiều sâu. Kĩ thuật này hiện thị tín hiệu dưới dạng 1D (một chiều) và được sử dụng để đo khoảng cách giữa hai vật (2S = v.t). 1.1.2.2. Kĩ thuật siêu âm B-mode. Chế độ B ( chế độ điều chỉnh độ sáng) thiết bị siêu âm là một loại thiết bị điều chỉnh thang xám. Những nguyên lý hoạt động tương tự như chế độ A nhưng khác ở một số điểm sau: 1. Điều chỉnh dải được chuyển thành điều chỉnh độ xám và tín hiệu xung phản âm khuếch đại được gửi đến cực âm của màn hình ( hoặc lưới điều khiển), độ sáng thay đổi theo cường độ tín hiệu. 2. Bác sĩ chẩn đoán bệnh theo thông tin cơ thể hiển thị trên hình ảnh, nhưng không theo dạng sóng tạo bởi siêu âm ở chế độ A. Chế độ B là hình ảnh 2 chiều của biên độ tín hiệu phản âm. Nó được dùng để xác định vị trí và đo cấu trúc giải phẩu học, và định hướng không gian trong khi hoạt động ở các chế độ khác. Các phản âm siêu âm với cường độ khác nhau được xếp vào các thang xám khác nhau trên màn hình. Chúng ta tạo ra một xung điện đến đầu dò (xung điện được điều khiển bằng cách hội tụ và trì hoãn mạch, được dùng để nhận biết tiêu điểm âm của sóng siêu âm), khi đó đầu dò tạo sóng siêu âm, sau khi trì hoãn, đầu dò nhận tín hiệu phản âm, chúng ta phải xử lý tín hiệu phản âm như sau: loại bỏ dạng sóng, quét mạch kỹ thuật số (DSC) thay đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, xử lý hình ảnh kỹ thuật số điều khiển bởi CPU. Sau đó hình ảnh có dạng mạch và hình ảnh mạch kết hợp với tín hiệu video và gửi đến màn hình, cuối 8 cùng, hình ảnh siêu âm chế độ B được tạo thành và chúng ta có thể nhìn thấy trên màn hình. Hình ảnh này giống với cấu trúc giải phẩu cơ thể người, vì thế nó có thể hiển thị trực tiếp kích cỡ, hình dạng và cấu trúc bên trong nội tạng, và có thể phân biệt mô mềm, chất lỏng và mô khí. Tốc độ lan truyền sóng siêu âm rất nhanh, vì thế hình ảnh được tạo ra ngay. Nó có thể tạo hình ảnh một cách liên tục quét siêu âm lặp lại rất nhanh, trong khi đó các hình ảnh tạo thành dải ảnh động thực. Đó là lý do vì sao chúng ta có thể quan sát chuyển động của tim, nhịp đập tim trẻ sơ sinh và sự xoắn của dạ dày và ruột. 1.1.2.3. Kĩ thuật siêu âm Doppler màu. Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi sóng siêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyển động (tế bào hồng cầu, thành mạch, co cơ…), khi đó tần số của sóng phản hồi sẽ khác với tần số sóng tới, và hiệu hai tần số gọi là độ lệch Doppler hay tần số Doppler. . Siêu âm Doppler được chia ra thành 2 loại dựa vào cách thức tạo ra sóng âm của mỗi loại: Doppler liên tục ( CW hay Continuous Wave Doppler) và Doppler xung (pW hay Pulsed wave Doppler): CW Doppler: Người ta sử dụng đầu dò gồm 2 tinh thể làm 2 nhiệm vụ khác nhau: một tinh thể làm nhiệm vụ phát sóng âm liên tục và một tinh thể làm nhiệm vụ thu liên tục sóng hồi âm quay trở về đầu dò. Nhược điểm của kỹ thuật này là không nhận biết được vị trí của điểm phản hồi nhưng ưu điểm của nó là có thể đo được những vận tốc rất lớn. • PW Doppler: Đối với PW Doppler, người ta chỉ sử dụng một tinh thể vừa làm nhiệm vụ phát, vừa làm nhiệm vụ thu. Sóng âm sẽ được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng quét của đầu dò, nhưng chỉ có những xung phản hồi tại vị trí lấy mẫu (hay còn gọi là cổng – gate) mới được ghi nhận và xử lý. Bác sĩ siêu âm có thể điều chỉnh được trên máy kích thước và độ sâu của vùng lấy mẫu. Nhờ đó mà pW Doppler có thể phân biệt được tín hiệu Doppler tại các độ sâu khác nhau. • 9 Ứng dụng của siêu âm Doppler: Siêu âm Doppler đuợc ứng dụng trong khá nhiều trường hợp, thường gặp nhất là khảo sát mạch máu. Trong khảo sát mạch máu, thông tin từ siêu âm Doppler có thể cho ta các thông số về : • Hướng dòng chảy. • Sự phân bố vận tốc dòng chảy • Đặc tính nhịp đập • Động mạch hay tĩnh mạch • Vận tốc và lưu lượng dòng chảy Các ứng dụng khác của siêu âm cũng được ứng dụng khá rộng rãi như : • Khảo sát hoạt động và các thông số chức năng của tim. • Khảo sát hệ thống tĩnh mạch cửa, tĩnh mạch trên của gan • Khảo sát bệnh lý động mạch thận • Khảo sát bệnh lý của động mạch chủ bụng Ưu nhược của siêu âm Doppler : Qua các ứng dụng, ta thấy siêu âm Doppler có nhiều ưu điểm, kỹ thuật này giúp cho bác sĩ có thể đưa ra những chẩn đoán bệnh tốt hơn phục vụ khám và điều trị. So với siêu âm thuờng thì siêu âm Doppler có nhiều ưu thế hơn. Tuy nhiên, tuỳ theo trường hợp bệnh mà ta cần chụp siêu âm thường hay siêu âm Doppler, vì chi phí chụp ảnh Doppler cao hơn siêu âm thường nhiều. 1.1.2.4. Kĩ thuật siêu âm cắt lớp (Ultrasound Tomography). Kĩ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp lại cho phép hiện thị định lượng về đối tượng, bởi vì nó dựa trên kĩ thuật tán xạ ngược, nên nó cho phép khôi phục được các u lạ có kích thước nhỏ hơn bước sóng tới. Khi mô ̣t tia tới sóng âm gă ̣p mô ̣t môi trường không đồ ng nhấ t thì mô ̣t phầ n năng lươ ̣ng sẽ bi ̣ tán xa ̣ theo mo ̣i hướng. Bài toán chu ̣p cắ t lớp siêu âm bao gồ m ước lươ ̣ng sự phân bố của các tham số (tố c đô ̣ âm, sự suy giảm âm, mâ ̣t đô ̣ và những tham số vật lí khác) tán xa ̣ cho mô ̣t tâ ̣p các giá tri ̣ đo của trường tán xa ̣ bằ ng viêc̣ giải 10 ngươ ̣c các phương trình sóng. Vì thế , chu ̣p cắ t lớp siêu âm cho thấ y đinh ̣ lươ ̣ng thông tin của vâ ̣t thể dưới sự khảo sát hay kiể m tra. Như vâ ̣y chu ̣p cắ t lớp siêu âm (thường đươ ̣c áp du ̣ng cho các kiể m tra về ung thư vú) có nhiề u ưu điể m trong siêu âm (cho chấ t lươ ̣ng ảnh tố t, không đô ̣c ha ̣i bởi tác đô ̣ng ion…) và đặc biệt, nó cho phép khôi phục được các u lạ có kích thước nhỏ hơn bước sóng tới, dựa trên kĩ thuật tán xạ ngược. Ha ̣n chế của chu ̣p siêu âm cắ t lớp sử du ̣ng tán xa ̣ ngươ ̣c là tố c đô ̣ tính toán và chấ t lươ ̣ng ảnh tái ta ̣o. Phương pháp chu ̣p cắ t lớp sử du ̣ng tán xa ̣ ngươ ̣c đươ ̣c đánh giá là cho kế t quả chính xác và khả quan hơn các phương pháp chu ̣p siêu âm trước đây nhưng vấ n đề về tố c đô ̣ tính toán là mô ̣t trở nga ̣i lớn của phương pháp này, trong chuẩ n đoán bênh ̣ y ho ̣c thì yêu cầ u về tố c đô ̣ cũng như chấ t lươ ̣ng cầ n đươ ̣c đảm bảo. Tuy nhiên đô ̣ phân giải không gian và đô ̣ chính xác của các hê ̣ thố ng này vẫn còn giới ha ̣n vì bỏ qua vấ n đề nhiễu xa ̣. Thiế t bi ̣ thứ 3, máy scan TMS (Techniscal Medical Systems) sử du ̣ng các thuâ ̣t toán tán xa ̣ ngươ ̣c cho kế t quả chiń h xác hơn. Tuy nhiên, tán xa ̣ ngươ ̣c âm gă ̣p phải mô ̣t số ha ̣n chế như trong kế t quả chu ̣p cắ t lớp Y- sinh không đươ ̣c thành công như các phương pháp ta ̣o ảnh cắ t lớp khác (cắ t lớp X– quang, cắ t lớp ha ̣t nhân, và chu ̣p cô ̣ng hưởng từ) thường đươ ̣c sử du ̣ng cho chuẩ n đoán y tế . Đầ u tiên, phương pháp tán xa ̣ ngươ ̣c gă ̣p phải vấ n đề về hô ̣i tu ̣ khi tái ta ̣o la ̣i đố i tươ ̣ng với “đô ̣ tương phản” lớn (đô ̣ tương phản quyế t đinh ̣ bởi tính chấ t của môi trường, biể u hiêṇ bởi sự tán xa ̣ âm thanh nhiề u hay ít, chiń h là chênh lêch ̣ tố c đô ̣ truyề n sóng giữa 2 môi trường). Chính vì vậy cho đế n nay đã ha ̣n chế những ứng du ̣ng tán xa ̣ ngươ ̣c áp du ̣ng cho viê ̣c ta ̣o ảnh vùng ngực. Dữ liêụ tán xa ̣ phải thu thâ ̣p ở rấ t nhiề u góc khác nhau từ 00 đế n 3600 để thu đươ ̣c chấ t lươ ̣ng chu ̣p tố t. Đó cũng là lý do mà nghiên cứu chu ̣p tán xa ̣ ngươ ̣c siêu âm la ̣i tâ ̣p trung vào ta ̣o ảnh vùng ngực, để bao trùm đươ ̣c đầ y đủ số liêụ ta ̣o ảnh ở tầ n số tương đố i cao (lên đế n 5 MHz). 11