Nghiên Cứu Sự Kích Thích Sóng Siêu Âm Hướng Dẫn Trong Các Tấm Xương Bằng Hệ Thống Phased Array

• Tác giả: Kim-Cuong Thi Nguyen
• Người hướng dẫn: Dr. Lawrence Le
• Trường học: University of Alberta
• Chuyên ngành: Medical Sciences - Radiology and Diagnostic Imaging
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Kích Thích Sóng Siêu Âm Hướng Dẫn Trong Các Tấm Xương Bằng Hệ Thống Phased Array
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Edmonton

• Acknowledgements
• Abstract
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background of Osteoporosis
• 1.2. Current Techniques to Evaluate Osteoporosis
• 1.2.1. Ionizing Radiation Based Methods
• 1.2.2. Non-radiation Based Methods
• 1.2.3. Quantitative Ultrasound Techniques
• 1.2.3.1. Pulse-Echo Technique
• 1.2.3.2. Transverse Transmission Technique
• 1.2.3.3. Axial Transmission Technique
• 1.2.4. Recent Application of Linear Array Transducer System to Study Bone Tissues
• 1.2.5. Guided Waves and Their Application in the Study of Bone Tissues
• 1.5. Objectives of the Thesis
• 1.6. Organization of the Thesis
• 2. CHƯƠNG 2: EXCITATION OF ULTRASONIC WAVES USING A PHASED ARRAY SYSTEM WITH A SINGLE ARRAY PROBE
• 2.1. Phased Array System
• 2.1.1. TomoScan FOCUS LT TM Ultrasound Scanner
• 2.1.2. Near Field Length
• 2.1.3. The Linear τ − p Transform
• 2.1.4. Adaptive Crosstalk Cancellator
• 2.1.4.1. Adaptive Crosstalk Cancellator
• 2.1.4.2. Validation of Adaptive Crosstalk Cancellator
• 2.1.4.2.1. 24-mm Thick Plexiglas plate
• 2.1.4.2.2. 9-mm Thick Plexiglas plate
• 2.1.4.2.3. 6-mm Thick Bovine Bone Plate
• 3. CHƯƠNG 3: EXCITATION OF GUIDED WAVES BY BEAM STEERING USING TWO ARRAY PROBES
• 3.1. Materials and Methods
• 3.1.1. Preparation of Samples
• 3.1.2. Source Influence Theory: Excitation Function
• 3.2. Results and Discussion
• 3.2.1. Bovine Bone Plate
• 4. CHƯƠNG 4: CONCLUSIONS AND FUTURE DIRECTIONS
• Bibliography
• Appendix A: Effective Aperture Angle
• List of Tables
• List of Figures
• List of Abbreviations

I. Tổng Quan Kích Thích Sóng Siêu Âm Trong Xương Bằng Phased Array

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng sóng siêu âm hướng dẫn để đánh giá và nghiên cứu xương, đặc biệt là trong các tấm xương. Kỹ thuật truyền dẫn trục được khai thác rộng rãi trong việc nghiên cứu xương dài. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ phased array (PA) trong nghiên cứu xương còn hạn chế. Kỹ thuật thông thường thường sử dụng một cặp đầu dò chùm tia góc, đòi hỏi nhiều công sức. Luận án này khám phá việc sử dụng hệ thống PA siêu âm thương mại (không dùng trong y tế) để nghiên cứu sóng Lamb trong Plexiglas và tấm xương bò bằng cách sử dụng một hoặc hai đầu dò mảng. Dữ liệu thu được từ một đầu dò duy nhất bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên âm. Một thuật toán khử nhiễu xuyên âm thích ứng dựa trên Radon đã được phát triển để loại bỏ nhiễu này và khôi phục tín hiệu. Kết quả ban đầu cho thấy tiềm năng của hệ thống Phased Array trong các ứng dụng đánh giá xương.

1.1. Giới Thiệu Phương Pháp Truyền Dẫn Trục Trong Nghiên Cứu Xương

Kỹ thuật truyền dẫn trục sử dụng sóng siêu âm hướng dẫn đã chứng minh tính hữu ích trong việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của xương dài. Phương pháp này dựa trên việc truyền sóng siêu âm dọc theo trục của xương và phân tích các tín hiệu thu được để đánh giá các thông số như mật độ xương, độ đàn hồi và sự toàn vẹn cấu trúc. Nhiều nghiên cứu trước đây đã chứng minh hiệu quả của kỹ thuật này trong việc phát hiện và đánh giá các bệnh lý về xương, đặc biệt là loãng xương. Tuy nhiên, việc triển khai kỹ thuật này trong môi trường lâm sàng có thể gặp khó khăn do yêu cầu về thiết bị và quy trình đo lường phức tạp.

1.2. Tại Sao Phased Array PA Là Giải Pháp Tiềm Năng

Việc sử dụng hệ thống phased array (PA) hứa hẹn sẽ khắc phục những hạn chế của các phương pháp truyền thống. PA cho phép điều khiển chùm tia siêu âm điện tử, cho phép quét nhanh chóng và chính xác các vùng quan tâm trên xương. Hơn nữa, PA có thể được sử dụng để tạo ra các loại sóng siêu âm khác nhau, tối ưu hóa cho việc đánh giá các tính chất cụ thể của xương. Một trong những ưu điểm lớn nhất của PA là khả năng cải thiện độ chính xác, tốc độ và sự thoải mái cho bệnh nhân so với các hệ thống đơn lẻ. Việc giảm thiểu sự xâm lấn và thời gian đo lường có thể làm cho PA trở thành một công cụ chẩn đoán hấp dẫn hơn trong bối cảnh lâm sàng.

II. Vấn Đề Khử Nhiễu Xuyên Âm Trong Hệ Thống Phased Array

Một thách thức lớn khi sử dụng hệ thống phased array là sự hiện diện của nhiễu xuyên âm. Nhiễu xuyên âm xảy ra khi tín hiệu từ một phần tử mảng truyền sang các phần tử khác, làm suy yếu tín hiệu thực và làm giảm độ chính xác của phép đo. Trong nghiên cứu này, nhiễu xuyên âm là một vấn đề đáng kể khi sử dụng một đầu dò duy nhất. Để giải quyết vấn đề này, một thuật toán khử nhiễu xuyên âm thích ứng dựa trên Radon đã được phát triển. Thuật toán này tận dụng các đặc tính của tín hiệu và nhiễu trong miền Radon để ước tính và loại bỏ nhiễu xuyên âm một cách hiệu quả.

2.1. Nguồn Gốc và Ảnh Hưởng Của Nhiễu Xuyên Âm Crosstalk

Nhiễu xuyên âm (crosstalk) trong các hệ thống phased array thường phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm sự ghép nối điện từ giữa các phần tử mảng, phản xạ sóng bên trong đầu dò và sự tán xạ sóng từ các cấu trúc xung quanh. Sự hiện diện của nhiễu xuyên âm có thể làm giảm đáng kể chất lượng tín hiệu, dẫn đến sai số trong việc ước tính các thông số xương. Cần có các kỹ thuật khử nhiễu mạnh mẽ để đảm bảo độ chính xác của các phép đo sóng siêu âm hướng dẫn.

2.2. Giải Pháp Thuật Toán Khử Nhiễu Thích Ứng Dựa Trên Radon

Để giải quyết vấn đề nhiễu xuyên âm, nghiên cứu này đề xuất một thuật toán khử nhiễu thích ứng dựa trên biến đổi Radon. Biến đổi Radon là một công cụ mạnh mẽ để phân tách các tín hiệu dựa trên các quỹ đạo thời gian tuyến tính của chúng. Bằng cách chuyển đổi dữ liệu sang miền Radon, thuật toán có thể phân biệt giữa tín hiệu mong muốn và nhiễu xuyên âm, cho phép loại bỏ hiệu quả nhiễu mà không làm ảnh hưởng đến tín hiệu thực. Thuật toán thích ứng cho phép theo dõi và khử nhiễu xuyên âm trong các điều kiện khác nhau.

III. Phương Pháp Điều Khiển Chùm Tia Bằng Hệ Thống Phased Array

Nghiên cứu này sử dụng một hệ thống phased array để điều khiển chùm tia siêu âm và kích thích các mode sóng dẫn khác nhau trong tấm xương. Bằng cách điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu được phát ra từ các phần tử mảng, chùm tia siêu âm có thể được hướng tới các góc khác nhau, cho phép lựa chọn các mode sóng dẫn cụ thể. Điều này cho phép đánh giá chi tiết hơn về các tính chất cơ học của xương. Nghiên cứu cũng sử dụng hai đầu dò mảng để kích thích và thu nhận sóng.

3.1. Kích Thích Chọn Lọc Mode Sóng Dẫn Nguyên Tắc và Ứng Dụng

Kỹ thuật điều khiển chùm tia cho phép kích thích chọn lọc các mode sóng dẫn khác nhau, mỗi mode có độ nhạy khác nhau đối với các đặc tính cụ thể của xương. Ví dụ, các mode sóng đối xứng có thể nhạy cảm hơn với độ dày của vỏ xương, trong khi các mode sóng bất đối xứng có thể nhạy cảm hơn với các thay đổi trong cấu trúc trabecular. Bằng cách phân tích các đặc tính của các mode sóng khác nhau, có thể thu được thông tin chi tiết về cấu trúc và tính chất cơ học của xương.

3.2. Ứng Dụng Lý Thuyết Ảnh Hưởng Nguồn Source Influence Theory

Lý thuyết ảnh hưởng nguồn (Source Influence Theory) đóng một vai trò quan trọng trong việc hiểu và tối ưu hóa quá trình kích thích sóng dẫn. Lý thuyết này mô tả mối quan hệ giữa nguồn kích thích và các mode sóng dẫn được tạo ra trong vật liệu. Bằng cách sử dụng lý thuyết này, có thể thiết kế các nguồn kích thích tối ưu để tạo ra các mode sóng mong muốn và tối đa hóa hiệu quả kích thích. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đánh giá xương, nơi cần kích thích các mode sóng cụ thể để thu được thông tin chẩn đoán có giá trị.

IV. Kết Quả Ưu Điểm Của Phased Array So Với Hệ Thống Đơn Lẻ

Kết quả nghiên cứu cho thấy những ưu điểm đáng kể của hệ thống phased array so với hệ thống đơn lẻ. PA mang lại độ chính xác cao hơn, tốc độ nhanh hơn và sự thoải mái cho bệnh nhân tốt hơn. Khả năng điều khiển chùm tia điện tử cho phép quét nhanh chóng và chính xác các vùng quan tâm, giảm thời gian đo lường và cải thiện trải nghiệm của bệnh nhân. Hơn nữa, việc sử dụng các thuật toán khử nhiễu tiên tiến giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng độ chính xác của phép đo. Hệ thống phased array có tiềm năng lớn để trở thành một công cụ chẩn đoán quan trọng trong lĩnh vực đánh giá xương.

4.1. Phân Tích và So Sánh Kết Quả Trên Tấm Xương Bò

Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm trên tấm xương bò để đánh giá hiệu quả của hệ thống phased array. Kết quả cho thấy rằng PA có thể kích thích và thu nhận các sóng siêu âm hướng dẫn một cách hiệu quả, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và tính chất cơ học của xương. So với các phương pháp truyền thống, PA cho phép quét nhanh hơn và chính xác hơn các vùng quan tâm trên xương, giảm thời gian đo lường và cải thiện độ chính xác của kết quả.

4.2. Độ Chính Xác Tốc Độ và Sự Thoải Mái Cho Bệnh Nhân

Một trong những ưu điểm chính của hệ thống phased array là khả năng cải thiện độ chính xác, tốc độ và sự thoải mái cho bệnh nhân so với các hệ thống đơn lẻ. PA cho phép điều khiển chùm tia siêu âm điện tử, cho phép quét nhanh chóng và chính xác các vùng quan tâm trên xương. Việc giảm thiểu sự xâm lấn và thời gian đo lường có thể làm cho PA trở thành một công cụ chẩn đoán hấp dẫn hơn trong bối cảnh lâm sàng. Kết quả nghiên cứu ủng hộ quan điểm rằng PA có tiềm năng lớn để cải thiện chất lượng chăm sóc bệnh nhân trong lĩnh vực đánh giá xương.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Đánh Giá Loãng Xương Bằng Sóng Siêu Âm PA

Kỹ thuật kích thích sóng siêu âm hướng dẫn bằng phased array có tiềm năng lớn trong việc đánh giá loãng xương. Bằng cách phân tích các đặc tính của sóng siêu âm truyền qua xương, có thể ước tính các thông số như mật độ xương, độ đàn hồi và sự toàn vẹn cấu trúc, từ đó cung cấp thông tin quan trọng để chẩn đoán và theo dõi loãng xương. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các giao thức đo lường tiêu chuẩn hóa và các thuật toán phân tích dữ liệu để tối ưu hóa hiệu quả của kỹ thuật này trong bối cảnh lâm sàng.

5.1. Các Phương Pháp Đánh Giá Loãng Xương Hiện Tại và Hạn Chế

Các phương pháp đánh giá loãng xương hiện tại, chẳng hạn như DXA, có những hạn chế nhất định về độ chính xác, tính di động và khả năng tiếp cận. DXA cũng sử dụng tia X, đặt bệnh nhân vào nguy cơ phơi nhiễm bức xạ. Do đó, có nhu cầu phát triển các phương pháp thay thế an toàn hơn, ít xâm lấn hơn và có độ chính xác cao hơn để đánh giá loãng xương. Sóng siêu âm hướng dẫn bằng phased array hứa hẹn sẽ đáp ứng những nhu cầu này.

5.2. Tiềm Năng của Sóng Siêu Âm PA trong Chẩn Đoán Sớm Loãng Xương

Kỹ thuật kích thích sóng siêu âm hướng dẫn bằng phased array có tiềm năng phát hiện các thay đổi tinh vi trong cấu trúc và tính chất cơ học của xương, có thể chỉ ra sự khởi đầu của loãng xương. Bằng cách phát hiện sớm các thay đổi này, có thể thực hiện các biện pháp can thiệp sớm để ngăn ngừa sự tiến triển của bệnh và giảm nguy cơ gãy xương. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc chứng minh hiệu quả của kỹ thuật này trong việc chẩn đoán sớm loãng xương và đánh giá phản ứng của xương đối với các biện pháp điều trị.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Của Kỹ Thuật Siêu Âm PA Cho Xương

Nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi và tiềm năng của việc sử dụng hệ thống phased array để kích thích sóng siêu âm hướng dẫn trong tấm xương. Kết quả cho thấy rằng PA có thể cung cấp độ chính xác cao hơn, tốc độ nhanh hơn và sự thoải mái cho bệnh nhân tốt hơn so với các hệ thống đơn lẻ. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số đo lường, phát triển các thuật toán phân tích dữ liệu tiên tiến và tiến hành các thử nghiệm lâm sàng để đánh giá hiệu quả của kỹ thuật này trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý về xương.

6.1. Tối Ưu Hóa Các Tham Số Đo Lường và Thuật Toán Phân Tích

Để tối đa hóa hiệu quả của kỹ thuật kích thích sóng siêu âm hướng dẫn bằng phased array, cần tối ưu hóa các tham số đo lường, chẳng hạn như tần số, biên độ và góc chùm tia. Ngoài ra, cần phát triển các thuật toán phân tích dữ liệu tiên tiến để trích xuất thông tin có giá trị từ các tín hiệu sóng siêu âm, chẳng hạn như mật độ xương, độ đàn hồi và sự toàn vẹn cấu trúc.

6.2. Các Bước Tiếp Theo Thử Nghiệm Lâm Sàng và Tiêu Chuẩn Hóa

Các bước tiếp theo trong nghiên cứu này bao gồm tiến hành các thử nghiệm lâm sàng để đánh giá hiệu quả của kỹ thuật kích thích sóng siêu âm hướng dẫn bằng phased array trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý về xương. Ngoài ra, cần phát triển các giao thức đo lường tiêu chuẩn hóa và các tiêu chuẩn hiệu suất để đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của kết quả. Cuối cùng, cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, bác sĩ lâm sàng và nhà sản xuất thiết bị để đưa kỹ thuật này vào thực tế lâm sàng.