Hỗ trợ chẩn đoán ung thư gan dựa trên hình ảnh siêu âm

Nghiên cứu ứng dụng học sâu trong chẩn đoán ung thư gan qua ảnh siêu âm. Giải pháp hỗ trợ bác sĩ, tăng cường độ chính xác, phát hiện sớm bệnh.

• Tác giả: Lê Thị Hồng Hạnh
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thanh Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học dữ liệu
• Đề tài: Hỗ trợ chẩn đoán ung thư gan dựa trên hình ảnh siêu âm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM
• 1.1. Sơ lược về các kiểu dữ liệu ảnh y tế
• 1.2. Tiêu chuẩn định dạng của dữ liệu ảnh y tế
• 1.3. Cơ sở dữ liệu về ảnh siêu âm
• 1.3.1. Các cơ sở dữ liệu công khai
• 1.3.2. Cơ sở dữ liệu nghiên cứu trong luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HỌC SÂU HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN UNG THƯ GAN DỰA TRÊN ĐOẠN PHIM SIÊU ÂM
• 2.1. Các phương pháp học sâu trong xử lý dữ liệu video
• 2.2. Chẩn đoán ung thư gan sử dụng mạng học sâu
• 2.2.1. Kiến trúc mạng CNN
• 2.2.2. Kiến trúc mạng ResNet
• 2.2.3. Kiến trúc mạng 3D-ResNet
• 2.2.4. Kiến trúc mạng LSTM
• 2.2.5. Kiến trúc mạng CNN kết hợp với LSTM
• 2.2.6. Kiến trúc hai luồng I3D (Two-stream I3D)
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 3.1. Nhắc lại cơ sở dữ liệu công khai
• 3.2. Thiết kế thực nghiệm và kết quả
• 3.2.1. Lựa chọn tỉ lệ chia tập train, validation và test
• 3.2.2. Lựa chọn số lượng khung hình/giây (FPS) và tổng số lượng khung hình trong một đoạn phim
• 3.3. Thực nghiệm mô hình
• 3.3.1. Tham số mô hình và thời gian huấn luyện
• 3.3.2. Kết quả và so sánh các mô hình
• 3.4. Phân tích và đánh giá
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Kết luận
• 4.2. Hướng phát triển
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• BẢNG CHÚ GIẢI THUẬT NGỮ

Tóm tắt

I. Tổng quan Chẩn đoán ung thư gan bằng hình ảnh siêu âm

Trong y học hiện đại, chẩn đoán hình ảnh đóng vai trò then chốt trong việc phát hiện, điều trị và theo dõi bệnh. Việc áp dụng các tiến bộ công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực học sâu và trí tuệ nhân tạo (AI), đã mang lại những thành tựu đáng kể trong việc hỗ trợ bác sĩ chẩn đoán bệnh tự động, tiết kiệm thời gian và chi phí. Việc sử dụng hình ảnh để phát hiện, chẩn đoán và theo dõi quá trình điều trị ung thư đòi hỏi độ chính xác cao và thời gian nhanh chóng để đưa ra phương pháp điều trị kịp thời. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về ứng dụng xử lý ảnh y tế, bao gồm khoanh vùng tổn thương, nhận dạng, dự báo và phân loại bệnh. Ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT), ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI) và ảnh siêu âm là những công cụ chẩn đoán quan trọng. Trong số đó, ảnh siêu âm được ứng dụng rộng rãi nhờ tính nhanh chóng, kịp thời và chi phí thấp.

1.1. Vai trò của hình ảnh siêu âm trong chẩn đoán ung thư

Hình ảnh siêu âm là một công cụ quan trọng để phát hiện các bệnh lý về gan. Chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ các thiết bị ghi nhận hình ảnh ngày càng chiếm vai trò quan trọng. Hiện nay, với sự trợ giúp của các thiết bị hiện đại thu nhận được hình ảnh rõ nét hơn, cộng với ứng dụng của các thuật toán học máy giúp cho việc chẩn đoán trở nên dễ dàng và chính xác hơn. Các nghiên cứu trước đây thường tập trung vào xử lý hình ảnh siêu âm tĩnh và chưa có nhiều nghiên cứu xử lý video siêu âm. Có thể có hai nguyên nhân cho việc này: cơ sở dữ liệu ảnh siêu âm không nhiều và không dễ thu thập, và xử lý hình ảnh tĩnh đơn giản hơn xử lý video. Tuy nhiên, trong thực tế, bác sĩ thường làm việc với video siêu âm.

1.2. Ung thư gan Vấn đề cấp thiết và tỉ lệ sống sót thấp

Ung thư gan là một trong những bệnh ung thư phổ biến nhất trên toàn thế giới, với tỷ lệ sống sót thấp. Việc phát hiện sớm và chẩn đoán chính xác là yếu tố then chốt để cải thiện tiên lượng bệnh. Ung thư gan xếp thứ 6 trong các loại bệnh ung thư trên toàn thế giới và có tỉ lệ sống sót sau 5 năm là 20%. Do đó, việc sử dụng công nghệ tiên tiến để hỗ trợ chẩn đoán sớm và chính xác là vô cùng quan trọng. Điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa kỹ thuật hình ảnh hiện đại và các phương pháp học sâu tiên tiến.

II. Thách thức Chẩn đoán sớm ung thư gan bằng siêu âm

Mặc dù hình ảnh siêu âm là một công cụ chẩn đoán hữu ích, việc phát hiện ung thư gan ở giai đoạn sớm vẫn còn nhiều thách thức. Khả năng phát hiện các tổn thương nhỏ, phân biệt giữa các loại tổn thương gan lành tính và ác tính, và giảm thiểu sai sót trong chẩn đoán là những vấn đề cần được giải quyết. Các yếu tố như chất lượng hình ảnh, kinh nghiệm của bác sĩ và sự đa dạng trong biểu hiện bệnh có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của chẩn đoán. Vì vậy, cần có những phương pháp tiên tiến hơn để cải thiện khả năng chẩn đoán ung thư gan bằng siêu âm.

2.1. Hạn chế của phương pháp chẩn đoán siêu âm truyền thống

Phương pháp siêu âm truyền thống phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của bác sĩ và có thể bỏ sót các tổn thương nhỏ hoặc khó phân biệt. Việc đánh giá hình ảnh siêu âm đòi hỏi sự chủ quan và có thể dẫn đến sai sót trong chẩn đoán. Ngoài ra, chất lượng hình ảnh không phải lúc nào cũng đảm bảo, đặc biệt là ở những bệnh nhân có thể trạng béo phì hoặc có các bệnh lý khác ảnh hưởng đến hình ảnh siêu âm. Do đó, cần có những công cụ hỗ trợ khách quan và chính xác hơn.

2.2. Yêu cầu về độ chính xác và tốc độ trong chẩn đoán ung thư gan

Việc phát hiện và chẩn đoán ung thư gan ở giai đoạn sớm là yếu tố quyết định đến hiệu quả điều trị và tiên lượng bệnh. Tuy nhiên, việc chẩn đoán sớm đòi hỏi độ chính xác cao và thời gian nhanh chóng. Việc chậm trễ trong chẩn đoán có thể làm giảm cơ hội điều trị thành công và ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của bệnh nhân. Do đó, việc phát triển các phương pháp chẩn đoán ung thư gan nhanh chóng, chính xác và hiệu quả là một nhu cầu cấp thiết.

III. Cách dùng Mô hình học sâu chẩn đoán ung thư gan qua siêu âm

Các mô hình học sâu, đặc biệt là mạng nơ-ron tích chập (CNN), đã chứng minh được khả năng vượt trội trong việc phân tích hình ảnh y tế. Bằng cách huấn luyện trên một lượng lớn dữ liệu hình ảnh siêu âm gan, các mô hình học sâu có thể học được các đặc trưng phức tạp và tinh tế, từ đó giúp cải thiện độ chính xác chẩn đoán ung thư gan. Ứng dụng học sâu có tiềm năng cách mạng hóa quy trình chẩn đoán ung thư gan bằng siêu âm, mang lại lợi ích to lớn cho cả bác sĩ và bệnh nhân.

3.1. Ứng dụng mạng CNN trong phân tích hình ảnh siêu âm gan

Mạng CNN có khả năng tự động học các đặc trưng quan trọng từ hình ảnh siêu âm, giúp phân loại và phát hiện các tổn thương ung thư gan một cách chính xác. Kiến trúc của mạng CNN cho phép xử lý hiệu quả hình ảnh và trích xuất các thông tin quan trọng. Các lớp tích chập và lớp gộp giúp giảm thiểu số lượng tham số và tăng khả năng khái quát hóa của mô hình.

3.2. Huấn luyện và tối ưu hóa mô hình học sâu với dữ liệu siêu âm

Việc huấn luyện mô hình học sâu đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu hình ảnh siêu âm gan đã được gắn nhãn chính xác. Quá trình huấn luyện bao gồm việc điều chỉnh các tham số của mô hình để đạt được hiệu suất tốt nhất trên tập dữ liệu kiểm tra. Các kỹ thuật như tăng cường dữ liệu, chuẩn hóa dữ liệu và điều chỉnh tốc độ học có thể giúp cải thiện độ chính xác và độ ổn định của mô hình.

IV. Hướng dẫn Tăng cường chất lượng hình ảnh siêu âm cho AI

Chất lượng hình ảnh siêu âm đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả của các mô hình học sâu. Các kỹ thuật tăng cường hình ảnh, như giảm nhiễu, làm sắc nét và cải thiện độ tương phản, có thể giúp cải thiện khả năng phân loại hình ảnh ung thư của mô hình học sâu. Tiền xử lý dữ liệu cũng cần bao gồm việc loại bỏ các artefak và chuẩn hóa hình ảnh để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu đầu vào.

4.1. Kỹ thuật tiền xử lý hình ảnh siêu âm trước khi đưa vào mô hình

Các bước tiền xử lý hình ảnh siêu âm bao gồm giảm nhiễu, điều chỉnh độ sáng và độ tương phản, và loại bỏ các artefak. Sử dụng các bộ lọc và thuật toán xử lý ảnh có thể giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và tăng khả năng phát hiện các đặc trưng quan trọng. Điều này đặc biệt quan trọng khi làm việc với dữ liệu hình ảnh siêu âm gan có chất lượng không đồng đều.

4.2. Tối ưu hóa độ phân giải và độ tương phản hình ảnh cho học sâu

Việc điều chỉnh độ phân giải và độ tương phản của hình ảnh siêu âm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mô hình học sâu. Tối ưu hóa các tham số này có thể giúp cải thiện khả năng phát hiện các tổn thương nhỏ và phân biệt giữa các loại mô khác nhau. Sử dụng các phương pháp tăng cường hình ảnh như cân bằng histogram và làm sắc nét hình ảnh có thể giúp cải thiện độ tương phản và làm nổi bật các đặc trưng quan trọng.

V. Nghiên cứu Ứng dụng học sâu vào siêu âm gan có cản âm

Siêu âm gan có cản âm (CEUS) là một kỹ thuật tiên tiến giúp cải thiện khả năng phát hiện và phân loại các tổn thương gan. Kết hợp CEUS với học sâu có thể mang lại hiệu quả chẩn đoán ung thư gan cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các mô hình học sâu có thể phân tích các pha khác nhau của CEUS để cung cấp thông tin chi tiết về đặc điểm của tổn thương, giúp phân biệt giữa các loại tổn thương lành tính và ác tính.

5.1. Phân tích động học ngấm thuốc cản âm bằng mô hình học sâu

Mô hình học sâu có thể được sử dụng để phân tích động học ngấm thuốc cản âm trong CEUS, giúp phân biệt giữa các loại tổn thương gan khác nhau. Việc phân tích động học bao gồm việc theo dõi sự thay đổi độ sáng của tổn thương theo thời gian, từ đó xác định các đặc trưng quan trọng như thời gian ngấm thuốc, cường độ ngấm thuốc và thời gian thải thuốc. Thông tin này có thể giúp phân biệt giữa ung thư biểu mô tế bào gan (HCC) và các loại tổn thương lành tính.

5.2. So sánh hiệu quả giữa CEUS kết hợp học sâu và siêu âm truyền thống

Nghiên cứu cho thấy rằng CEUS kết hợp với học sâu có thể cải thiện đáng kể độ chính xác chẩn đoán ung thư gan so với siêu âm truyền thống. Việc sử dụng CEUS giúp cải thiện độ tương phản và độ phân giải của hình ảnh, trong khi học sâu giúp tự động phân tích các đặc trưng phức tạp và giảm thiểu sai sót do chủ quan. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp này có tiềm năng cách mạng hóa quy trình chẩn đoán ung thư gan.

VI. Tương lai Phát triển hệ thống hỗ trợ chẩn đoán ung thư gan

Với sự phát triển không ngừng của học sâu và trí tuệ nhân tạo (AI), tương lai của chẩn đoán ung thư gan bằng hình ảnh siêu âm hứa hẹn nhiều tiềm năng. Việc phát triển các phần mềm hỗ trợ chẩn đoán dựa trên AI có thể giúp bác sĩ đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác hơn. Ngoài ra, việc tích hợp các kỹ thuật phân tích hình ảnh y tế tiên tiến có thể giúp cải thiện khả năng phát hiện sớm và tiên lượng bệnh.

6.1. Tích hợp học sâu vào quy trình chẩn đoán lâm sàng ung thư gan

Việc tích hợp học sâu vào quy trình chẩn đoán lâm sàng đòi hỏi sự hợp tác giữa các chuyên gia y tế và các nhà khoa học dữ liệu. Các mô hình học sâu cần được đánh giá và kiểm chứng kỹ lưỡng trước khi được đưa vào sử dụng trong thực tế. Ngoài ra, cần có các quy trình và tiêu chuẩn rõ ràng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của các hệ thống hỗ trợ chẩn đoán.

6.2. Tiềm năng của AI trong tiên lượng và theo dõi điều trị ung thư gan

AI không chỉ giúp chẩn đoán ung thư gan mà còn có tiềm năng trong việc tiên lượng bệnh và theo dõi hiệu quả điều trị. Mô hình học sâu có thể phân tích các dữ liệu lâm sàng và hình ảnh để dự đoán khả năng tái phát bệnh và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị. Điều này có thể giúp bác sĩ đưa ra các quyết định điều trị cá nhân hóa và cải thiện kết quả cho bệnh nhân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư gan là một trong những căn bệnh ung thư phổ biến và nguy hiểm, đứng thứ 6 trong các loại ung thư trên toàn thế giới với tỉ lệ sống sót sau 5 năm chỉ khoảng 20%. Việc phát hiện và chẩn đoán sớm ung thư gan đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả điều trị và kéo dài tuổi thọ bệnh nhân. Trong y học hiện đại, chẩn đoán hình ảnh đóng vai trò quan trọng trong phát hiện và theo dõi bệnh, đặc biệt là các hình ảnh siêu âm gan do tính an toàn, chi phí thấp và khả năng cung cấp hình ảnh thời gian thực. Tuy nhiên, việc phân tích hình ảnh siêu âm gan truyền thống còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của bác sĩ, tốn thời gian và có thể dẫn đến sai sót.

Luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp học sâu (deep learning) ứng dụng trong xử lý video siêu âm gan nhằm hỗ trợ chẩn đoán ung thư gan tự động, chính xác và nhanh chóng hơn. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thu thập từ các cơ sở y tế liên kết với Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 và bộ dữ liệu công khai SYSU-FLL-CEUS với tổng số 358 đoạn phim siêu âm, bao gồm 186 mẫu ung thư gan (HCC) và 172 mẫu lành tính. Mục tiêu chính là phát triển và đánh giá các mô hình học sâu như CNN, 3D-CNN, LSTM và mô hình hai luồng để phân loại chính xác các tổn thương gan trên video siêu âm.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc giảm tải công việc cho bác sĩ, nâng cao độ chính xác chẩn đoán, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong y học, góp phần cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Mạng nơ ron tích chập (CNN - Convolutional Neural Network): Là mô hình học sâu chủ đạo trong xử lý ảnh y tế, CNN tự động trích xuất đặc trưng từ dữ liệu hình ảnh qua các lớp tích chập, pooling, batch normalization và dropout, giúp giảm hiện tượng overfitting và tăng khả năng khái quát của mô hình.

• Mạng nơ ron hồi quy dài ngắn hạn (LSTM - Long Short-Term Memory): Mô hình mạng hồi quy được sử dụng để xử lý dữ liệu chuỗi thời gian, phù hợp với video siêu âm khi cần khai thác thông tin theo trình tự các khung hình.

• Mạng 3D-CNN: Mở rộng CNN truyền thống sang không gian 3 chiều, cho phép trích xuất đặc trưng không gian - thời gian từ video, giúp mô hình hiểu được động thái và biến đổi trong đoạn phim siêu âm.

• Mô hình hai luồng (Two-stream): Kết hợp hai luồng xử lý thông tin không gian và động lực học (spatial and temporal streams) giúp tăng hiệu quả phân loại video.

• Các khái niệm chính: ROI (Region of Interest - vùng quan tâm), FPS (Frames per Second - số khung hình trên giây), độ chính xác (accuracy), độ nhạy (sensitivity), độ đặc hiệu (specificity), điểm F1 (F1 score).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng hai bộ dữ liệu chính gồm bộ dữ liệu thu thập từ Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 với hơn 16 đoạn phim siêu âm chưa gán nhãn và bộ dữ liệu công khai SYSU-FLL-CEUS gồm 358 đoạn phim với 186 mẫu ung thư gan (HCC), 109 mẫu u máu (HEM) và 60 mẫu nốt tăng sản khu trú (FNH).

• Phương pháp phân tích: Áp dụng các mô hình học sâu gồm CNN, 3D-ResNet, CNN kết hợp LSTM và mô hình hai luồng I3D để phân loại video siêu âm gan thành các nhóm bệnh lý khác nhau. Các mô hình được huấn luyện và đánh giá trên tập dữ liệu đã được chia theo tỉ lệ train-validation-test phù hợp (ví dụ 70%-15%-15%).

• Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu từ tháng 10/2021, thực hiện tiền xử lý và gán nhãn dữ liệu trong vòng 3-5 năm. Thực nghiệm mô hình và đánh giá kết quả được tiến hành trong năm 2022 với các bước lựa chọn tham số, tối ưu mô hình và so sánh hiệu năng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Mô hình Two-stream I3D đạt độ chính xác cao nhất lên đến 98.0% trên bộ dữ liệu UCF101, cho thấy tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ trong phân loại video siêu âm gan.

• Mô hình 3D ResNeXt-101 đạt độ chính xác 94.5%, vượt trội so với các mô hình CNN truyền thống và CNN kết hợp LSTM (đạt 91.9%).

• Các mô hình học sâu cho kết quả tốt hơn đáng kể so với các phương pháp truyền thống như PCA-SVM hay Multi-SVM, với độ chính xác tăng trung bình từ 82-89% lên trên 90%.

• Việc lựa chọn tỉ lệ chia tập train-validation-test và số lượng khung hình trên giây (FPS) ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu năng mô hình, với tỉ lệ chia 70%-15%-15% và FPS phù hợp giúp tối ưu kết quả phân loại.

Thảo luận kết quả

• Hiệu quả vượt trội của mô hình học sâu, đặc biệt là mô hình hai luồng I3D, xuất phát từ khả năng khai thác đồng thời thông tin không gian và thời gian trong video siêu âm, giúp nhận diện chính xác các đặc điểm tổn thương gan.

• So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung xử lý ảnh tĩnh, việc áp dụng mô hình học sâu trên dữ liệu video siêu âm giúp giảm thiểu bước chọn lọc hình ảnh trung gian, tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác.

• Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng học sâu trong phân loại video y tế, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng trong chẩn đoán ung thư gan tại Việt Nam.

• Dữ liệu thực nghiệm còn hạn chế về số lượng và nhãn vùng quan tâm (ROI), do đó cần tiếp tục thu thập và gán nhãn để nâng cao độ tin cậy và khả năng tổng quát của mô hình.

• Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chính xác, độ nhạy và độ đặc hiệu của các mô hình, cũng như bảng phân phối số lượng khung hình và tỉ lệ chia tập dữ liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

• Phát triển hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tự động: Áp dụng mô hình học sâu hai luồng I3D để xây dựng phần mềm hỗ trợ bác sĩ phân loại tổn thương gan trên video siêu âm, nhằm nâng cao độ chính xác và giảm thời gian chẩn đoán. Thời gian triển khai dự kiến trong 1-2 năm.

• Mở rộng thu thập và gán nhãn dữ liệu: Tăng cường thu thập dữ liệu video siêu âm gan từ nhiều cơ sở y tế, đồng thời phát triển công cụ nội suy vùng quan tâm (ROI) để giảm thời gian gán nhãn, nâng cao chất lượng dữ liệu huấn luyện. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và bệnh viện liên kết.

• Tối ưu hóa tham số mô hình: Tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh siêu tham số như số lượng khung hình trên giây (FPS), tỉ lệ chia tập dữ liệu, cấu trúc mạng để đạt hiệu năng tối ưu trên dữ liệu thực tế.

• Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho bác sĩ và kỹ thuật viên về ứng dụng công nghệ học sâu trong chẩn đoán hình ảnh, đồng thời xây dựng quy trình vận hành hệ thống hỗ trợ chẩn đoán.

• Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng các mô hình học sâu tương tự cho các loại hình ảnh y tế khác như MRI, CT nhằm đa dạng hóa công cụ hỗ trợ chẩn đoán trong y học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Bác sĩ chuyên khoa ung bướu và chẩn đoán hình ảnh: Nắm bắt công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán ung thư gan, giảm sai sót và tăng tốc độ xử lý hình ảnh siêu âm.

• Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học dữ liệu, trí tuệ nhân tạo: Tham khảo phương pháp ứng dụng học sâu trong y tế, đặc biệt là xử lý video siêu âm, từ đó phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

• Các cơ sở y tế và bệnh viện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tự động, nâng cao chất lượng dịch vụ khám chữa bệnh.

• Nhà quản lý và hoạch định chính sách y tế: Hiểu rõ tiềm năng ứng dụng công nghệ AI trong y tế để đầu tư, phát triển hạ tầng và chính sách hỗ trợ nghiên cứu, ứng dụng công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Học sâu có ưu điểm gì trong chẩn đoán ung thư gan qua hình ảnh siêu âm?
   Học sâu tự động trích xuất đặc trưng từ dữ liệu, giảm phụ thuộc vào mô tả thủ công, nâng cao độ chính xác và khả năng phân loại tổn thương gan phức tạp trên video siêu âm.

2. Tại sao cần xử lý video siêu âm thay vì ảnh tĩnh?
   Video cung cấp thông tin động và toàn diện hơn, giúp phát hiện các đặc điểm tổn thương không rõ ràng trên ảnh tĩnh, đồng thời giảm bước chọn lọc hình ảnh trung gian.

3. Các mô hình học sâu nào được áp dụng hiệu quả nhất?
   Mô hình hai luồng I3D và 3D-CNN cho kết quả phân loại tốt nhất, với độ chính xác lần lượt đạt 98% và 94.5% trên dữ liệu thực nghiệm.

4. Làm thế nào để thu thập và gán nhãn dữ liệu hiệu quả?
   Sử dụng công cụ nội suy vùng quan tâm (ROI) giúp giảm thời gian gán nhãn của chuyên gia, đồng thời thu thập dữ liệu đa dạng từ nhiều cơ sở y tế để tăng tính đại diện.

5. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
   Hỗ trợ bác sĩ chẩn đoán nhanh và chính xác ung thư gan, giảm tải công việc, đồng thời mở rộng ứng dụng AI trong y tế, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển và đánh giá thành công các mô hình học sâu ứng dụng trong phân loại video siêu âm gan, hỗ trợ chẩn đoán ung thư gan với độ chính xác cao trên 90%.

• Mô hình hai luồng I3D thể hiện hiệu năng vượt trội, phù hợp để triển khai trong thực tế.

• Việc thu thập và gán nhãn dữ liệu chất lượng là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả mô hình.

• Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong y học, đặc biệt trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh.

• Đề xuất tiếp tục mở rộng dữ liệu, tối ưu mô hình và phát triển hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tự động trong 1-2 năm tới nhằm ứng dụng rộng rãi tại các cơ sở y tế.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và cơ sở y tế hợp tác thu thập dữ liệu, phát triển và ứng dụng công nghệ học sâu để nâng cao chất lượng chẩn đoán ung thư gan, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM đoán, đặc biệt là khi cần phát hiện tế bào ung thư với kích cỡ và vị trí chính xác. Một số các thông số quan trọng của ảnh chụp cắt lớp vi tính thể hiện ở số lượng lát cắt, độ dày lát cắt và khoảng cách giữa các lát cắt. Điều chỉnh các tham số này phù hợp có thể giúp phát hiện sớm và chính xác những tế bào hay khối u nhỏ bất thường mà những phương pháp tạo ảnh khác khó phát hiện được.2 là ví dụ về hình ảnh các lát cắt liên tiếp của phổi.

Các lát cắt này sẽ được xếp liên tiếp nhau tạo thành một hình khối 3D. Nếu khoảng cách giữa các lát cắt quá lớn hoặc độ dày lát cắt quá mỏng thì ảnh chụp cắt lớp vi tính có thể bỏ sót những bất thường nhỏ nằm giữa hai lát cắt liên tiếp. Vì vậy việc lựa chọn các thông số này cần được đánh giá tỉ mỉ trước khi thực hiện chụp hình.2: Hình ảnh một số lát cắt trong chụp cắt lớp vi tính phổi [6] Trong chụp cắt lớp vi tính, việc kết hợp sử dụng các chất cản quang sẽ đem lại hình ảnh rõ nét hơn cũng như có thể đánh giá việc ngấm thuốc, lưu thông các chất cản quang trong cơ thể theo thời gian thực. Các chất này có tỷ trọng cao và xuất hiện màu trắng trên ảnh, làm nổi bật các mạch máu, các cơ quan hoặc các cấu trúc khác.

Chất cản quang được đưa vào cơ thể qua nhiều đường (đường tiêm, đường uống) tùy theo mục đích chẩn đoán của bác sĩ. TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM Ảnh cắt lớp vi tính thường được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị các nhóm bệnh lý như chấn thương, ung thư, tim mạch. Trong bệnh lý chấn thương, chụp CT có thể phát hiện các vấn đề về chấn thương toàn bộ cơ thể như: chấn thương sọ não, chấn thương đầu mặt cổ hay các chấn thương hệ thống xương khớp cũng như chấn thương khoang ngực, bụng, chậu. Trong các bệnh lý ung thư, chụp CT rất có giá trị trong sàng lọc, chẩn đoán các khối u cũng như phân loại, định hướng điều trị và theo dõi sau điều trị.

Trong bệnh lý tim mạch, chụp CT được ứng dụng trong chẩn đoán bệnh mạch vành, bệnh lý mạch não, mạch thận, mạch chi, v. nhờ kỹ thuật không xâm lấn nên ít gây tổn hại cho bệnh nhân hơn các kỹ thuật chẩn đoán can thiệp khác. Ngoài ra, khi cấp cứu các ca liên quan đến ổ bụng, chụp CT có vai trò rất quan trọng trong chẩn đoán một số bệnh thường gặp trong cấp cứu bụng ngoại khoa mà siêu âm hạn chế đánh giá như viêm tụy cấp, viêm ruột thừa, viêm ruột hoại tử, áp xe trong ổ bụng, v. Rủi ro khi chụp ảnh cắt lớp vi tính cũng giống như rủi ro khi chụp ảnh X-quang khi bệnh nhân phải tiếp xúc với tia X hay bức xạ ion hoá dẫn đến khả năng đột biến gen và ung thư.

Bên cạnh đó khi cần sử dụng chất cản quang, bệnh nhân cũng có nguy cơ phản ứng với các chất này như dị ứng, phát ban.3 Ảnh cắt lớp phát xạ Ảnh cắt lớp phát xạ nằm trong nhóm kỹ thuật ảnh y tế được tạo bởi tia gamma. Loại hình ảnh này khác với các nhóm hình ảnh khác bởi phương thức thực hiện tạo ảnh cần phải đưa các hợp chất phóng xạ thích hợp vào cơ thế. Các hợp chất này được đánh dấu bằng phóng xạ phát ra tia gamma và đưa vào cơ thể bệnh nhân qua đường tiêm, truyền hoặc uống. Sau một khoảng thời gian (khoảng 60 phút) khi các mô đã hấp thụ hợp chất được đánh dấu thì máy chụp ảnh cắt lớp phát xạ sẽ ghi lại tín hiệu phát ra từ chất phóng xạ trong các hợp chất đánh dấu đó.

Các tín hiệu sẽ được chuyển thành hình ảnh thông qua một hệ thống máy tính, sau đó các bác sĩ sẽ phân tích hình ảnh để chẩn đoán bệnh. TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM Nguyên lý của việc chẩn đoán bệnh bằng hình ảnh cắt lớp phát xạ xuất phát từ việc tiêu hao năng lượng của tế bào. Tất cả các tế bào đều cần năng lượng để sống và hoạt động. Một trong những nguồn năng lượng ấy là đường.

Các tế bào bệnh thường cần nhiều năng lượng hơn và tiêu hao nhiều đường hơn so với các tế bào lành. Qua việc đưa vào cơ thể các hợp chất giống như đường (ví dụ gluco FDG) được đánh dấu bằng chất phát xạ và đánh giá các vùng tập trung nhiều chất phóng xạ qua sự chênh lệch trên hình ảnh, bác sĩ sẽ chẩn đoán được vùng bị bệnh trên cơ thể cũng như mức độ nặng nhẹ của bệnh.3 thể hiện sự khác nhau về vùng tập trung chất phóng xạ giữa não của người bị bệnh Parkinson so với người bình thường.3: Hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ não [7]: (a) Não của người bình thường, (b) Não của người bị bệnh Parkinson, (c) Não của người bệnh Parkinson đã được điều trị Chụp cắt lớp phát xạ là kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng trong chẩn đoán và theo dõi ung thư như phát hiện sớm ung thư, phát hiện và theo dõi giai đoạn phát triển của ung thư. Ngoài ra ảnh chụp cắt lớp phát xạ còn được dùng trong chẩn đoán các vấn đề bệnh lý khác như bệnh về hệ thần kinh (Parkinson, Alzheimer), bệnh về tim mạch (các bệnh lý động mạch vành). TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM 1.4 Ảnh chụp cộng hưởng từ Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân được Felix Block và Edward Puroel phát hiện vào năm 1946, cộng hưởng từ được ứng dụng rộng rãi từ năm 1950.

Nguyên lý này được phát triển xuất phát từ đặc điểm trong cơ thể người chứa rất nhiều nước, đồng nghĩa với có nhiều nguyên tử hydro (proton). Ngoài ra, trong những môi trường khác nhau thì quá trình hồi phục của các hạt nhân diễn ra khác nhau. Do đó, tín hiệu phát ra tại giữa vùng bình thường và khối u, hay giữa mô cứng và mô mềm sẽ không giống nhau. Nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó.

Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình được các thương tổn. Ứng dụng nguyên lý này, máy quét cộng hưởng từ sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, từ đó tạo ra hình ảnh. Trong từ trường mạnh, hạt nhân của nguyên tử hydro - một proton - có xu hướng tự xếp dọc theo hướng của từ trường. Sau đó, một ăng ten thu phát sóng radio tần số thấp (tần số radio này được thay đổi trong vùng từ trường ổn định của nam châm chính tùy theo mục đích khảo sát) được sử dụng để gửi tín hiệu đến các nguyên tử hydro của cơ thể, sau đó nhận lại tín hiệu về chiều chuyển động của các nguyên tử này.

Tín hiệu của ăng ten được truyền về trung tâm xử lý tín hiệu và tái tạo thành hình ảnh cấu trúc của các cơ quan, bộ phận trong cơ thể cần khảo sát. TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM Hình 1.4: Hình ảnh chụp cộng hưởng từ não [8]: (a) Mặt cắt ngang, (b) Mặt cắt đứng ngang, (c) Mặt cắt đứng dọc Ảnh chụp bởi phương pháp cộng hưởng từ có ưu điểm là tạo ra ảnh của cấu trúc các mô mềm trong cơ thể như tim, phổi, gan và các cơ quan khác rõ hơn và chi tiết hơn so với ảnh được tạo bằng các phương pháp khác. Ví dụ trong hình 1.4 là hình ảnh chụp cộng hưởng từ 3 loại mặt cắt của não với mức độ chi tiết cao và có thể được chụp theo nhiều hướng, đưa ra nhiều góc nhìn hơn cho bác sĩ. Hơn nữa, nhờ sử dụng từ trường và sóng radio, không sử dụng tia X nên MRI rất an toàn cho bệnh nhân.

Đây là một kỹ thuật nhanh, gọn không gây ảnh hưởng phụ, là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, hiệu quả và phổ biến trên thế giới. Ngày nay, MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể. Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị trong việc chụp ảnh chi tiết não hoặc dây cột sống. Chụp cộng hưởng từ còn có giá trị hơn nữa khi có thể hỗ trợ bác sĩ nắm được thông tin về vị trí thương tổn trước khi phẫu thuật (chẳng hạn như tiểu phẫu não) với khả năng chụp được những hình ảnh 3 chiều.

Chỉ có một nhược điểm nhỏ với phương pháp này là khi người bệnh có các vật bằng kim loại cấy trong cơ thể không được phát hiện có thể bị ảnh hưởng bởi từ trường mạnh.5 Ảnh siêu âm Siêu âm là một phương thức tạo hình ảnh y tế được nghiên cứu rộng rãi kể từ đầu năm 1950. Hình ảnh siêu âm sử dụng đầu dò điện để tạo ra các chùm âm thanh tần 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH SIÊU ÂM số cao (khoảng 1–10 MHz) lặp đi lặp lại. Các xung này truyền vào mô mềm của cơ thể, tương tác và phản xạ trở lại đầu dò.

Thời gian quay lại của các xung này cung cấp thông tin về vị trí (độ sâu) của vật phản xạ và cường độ các xung này cung cấp thông tin về mật độ vật chất của vật phản xạ. Bằng cách di chuyển và quét đầu dò cùng với chùm âm thanh của nó phát ra, hình ảnh thời gian thực về mặt cắt của mô mềm có thể được tạo ra Hình 1.5: Hình ảnh siêu âm gan [9]: (a) Chế độ B, (b) Chế độ màu Doppler Hệ thống hình ảnh siêu âm cung cấp một số phương thức chụp ảnh như sau: • Chế độ A (A-mode): tạo ra hình ảnh dưới dạng sóng một chiều và do đó bản thân nó không thực sự là một hình ảnh (hình ảnh thường có ít nhất 2 chiều). Tuy vậy, chế độ chụp này có thể cung cấp thông tin chi tiết về những chuyển động nhanh hoặc nhỏ, ví dụ như chuyển động trong van tim. • Chế độ B (B-mode): là hình ảnh giải phẫu mặt cắt ngang thông thường, ví dụ như trong hình 1.5 (a) là hình ảnh mặt cắt gan khi siêu âm.