Nghiên cứu tăng cường tương phản mạch máu trên bề mặt cổ tử cung sử dụng hình ảnh phân cực và không phân cực

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu tăng cường tương phản mạch máu trên bề mặt cổ tử cung sử dụng hình ảnh phân cực và không, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Vũ Quốc Anh
• Người hướng dẫn: TS. Lý Anh Tú
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu tăng cường tương phản mạch máu trên bề mặt cổ tử cung sử dụng hình ảnh phân cực và không phân cực
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh sách bảng
• Danh sách hình ảnh
• Danh sách các từ viết tắt và thuật ngữ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu luận văn
• 1.3. Nhiệm vụ luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan về giải phẫu cổ tử cung
• 2.2. Cấu trúc mô học cổ tử cung
• 2.3. Tổng quan về bệnh lý cổ tử cung
• 2.4. Tổng quan về các phương pháp hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý cổ tử cung
• 2.4.1. Phương pháp sàng lọc dựa trên tế bào học
• 2.4.2. Phương pháp sàng lọc dựa trên mô học
• 2.4.3. Nghiên cứu ứng dụng MSCTC trong chẩn đoán bệnh lý cổ tử cung
• 2.5. Tổng quan các nghiên cứu về mạch máu trên cổ tử cung
• 2.5.1. Các dạng mạch máu trên bề mặt cổ tử cung
• 2.5.1.1. Các dạng mạch máu bình thường
• 2.5.1.2. Các dạng mạch máu bất thường
• 2.6. Phương pháp soi cổ tử cung sử dụng Máy soi cổ tử cung
• 2.7. Các kiến thức cơ bản về ảnh kỹ thuật số
• 2.8. Tương tác giữa mô và ánh sáng
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phương pháp thu thập dữ liệu
• 3.1.1. Dữ liệu phân cực
• 3.1.2. Dữ liệu không phân cực
• 3.2. Phương pháp xử lý ảnh
• 3.2.1. Phương pháp Hình thái học
• 3.2.2. Phương pháp Kết hợp kênh màu
• 3.2.3. Phương pháp CLAHE-L*a*b*
• 3.2.4. Phương pháp Gamma-L*a*b*
• 3.3. Phương pháp đánh giá
• 3.3.1. Tỷ lệ tương phản CR
• 3.3.2. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tối đa PSNR và Chỉ số tương đồng cấu trúc SSIM
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả thu thập dữ liệu
• 4.2. Kết quả tăng tương phản mạch máu
• 4.2.1. Dữ liệu không phân cực
• 4.2.2. Dữ liệu phân cực
• 4.3. Kết quả tăng tương phản mạch máu trên toàn bộ dữ liệu
• 4.3.1. Chỉ số CR trung bình
• 4.3.2. Chỉ số PSNR trung bình
• 4.3.3. Chỉ số SSIM trung bình
• 4.4. Đánh giá chung
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• Danh mục công trình khoa học
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Nghiên Cứu Hình Ảnh Phân Cực Không Phân Cực Cổ Tử Cung

Nghiên cứu tăng cường tương phản mạch máu cổ tử cung bằng hình ảnh phân cực và không phân cực mở ra một hướng mới trong chẩn đoán sớm ung thư cổ tử cung. Cổ tử cung là một phần quan trọng của cơ quan sinh sản nữ, và việc phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường ở khu vực này có ý nghĩa sống còn. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng các kỹ thuật xử lý ảnh tiên tiến để cải thiện khả năng quan sát mạch máu bề mặt cổ tử cung. Việc sử dụng cả hình ảnh phân cực cổ tử cung và hình ảnh không phân cực cổ tử cung hứa hẹn mang lại cái nhìn toàn diện hơn, từ đó nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG -HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Lý Anh Tú và TS. Trần Văn Tiến.

1.1. Tầm Quan Trọng của Chẩn Đoán Sớm Ung Thư Cổ Tử Cung

Ung thư cổ tử cung là một trong những bệnh ung thư phổ biến nhất ở phụ nữ trên toàn thế giới. Việc phát hiện bệnh ở giai đoạn sớm có ý nghĩa quyết định đến hiệu quả điều trị và tỷ lệ sống sót của bệnh nhân. Các phương pháp chẩn đoán hiện tại như xét nghiệm tế bào học và sinh thiết có thể bỏ sót một số trường hợp, đặc biệt là ở giai đoạn tiền ung thư. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chẩn đoán mới, nhạy bén và chính xác hơn là vô cùng cần thiết. Phương pháp chẩn đoán ung thư sớm cổ tử cung bằng hình ảnh hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả.

1.2. Giới Thiệu Về Hình Ảnh Phân Cực và Không Phân Cực

Hình ảnh phân cực và hình ảnh không phân cực là hai kỹ thuật hình ảnh khác nhau, cung cấp thông tin bổ sung về cấu trúc và thành phần của mô. Hình ảnh phân cực dựa trên sự thay đổi của ánh sáng khi đi qua các cấu trúc có trật tự như sợi collagen, trong khi hình ảnh không phân cực ghi lại cường độ ánh sáng thông thường. Sự kết hợp của hai loại hình ảnh này có thể giúp phân biệt rõ hơn giữa các mô bình thường và bất thường. Nghiên cứu này sử dụng cả hai loại kỹ thuật hình ảnh cổ tử cung để khai thác tối đa thông tin.

II. Thách Thức Trong Quan Sát Mạch Máu Bề Mặt Cổ Tử Cung

Mặc dù mạch máu bề mặt cổ tử cung đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán, việc quan sát chúng không phải lúc nào cũng dễ dàng. Các yếu tố như sự phản xạ ánh sáng không đồng đều, sự hiện diện của dịch nhầy và sự thay đổi sinh lý của cổ tử cung có thể ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Việc đánh giá mạch máu cổ tử cung một cách chính xác đòi hỏi các kỹ thuật xử lý ảnh để tăng cường tương phản, làm nổi bật các chi tiết quan trọng và loại bỏ các yếu tố gây nhiễu. Hơn nữa, sự khác biệt về độ nhạy độ đặc hiệu hình ảnh phân cực và độ nhạy độ đặc hiệu hình ảnh không phân cực cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Các Yếu Tố Gây Nhiễu Trong Hình Ảnh Cổ Tử Cung

Sự phản xạ ánh sáng không đồng đều có thể tạo ra các vùng sáng tối khác nhau trên hình ảnh, gây khó khăn cho việc phân tích. Dịch nhầy có thể làm mờ các chi tiết và giảm độ tương phản. Ngoài ra, sự thay đổi sinh lý của cổ tử cung trong chu kỳ kinh nguyệt cũng có thể ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của mạch máu. Việc khắc phục những yếu tố gây nhiễu này là rất quan trọng để có được hình ảnh chất lượng cao và chính xác.

2.2. Sự Cần Thiết Của Các Thuật Toán Tăng Cường Tương Phản

Để vượt qua những thách thức trên, cần thiết phải áp dụng các thuật toán tăng cường tương phản mạch máu cổ tử cung. Các thuật toán này có thể giúp làm nổi bật các chi tiết mạch máu, giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu và cải thiện khả năng quan sát của các bác sĩ. Mục tiêu là tạo ra những hình ảnh rõ nét và giàu thông tin, hỗ trợ quá trình chẩn đoán chính xác và hiệu quả hơn.

III. Phương Pháp Tăng Cường Tương Phản Tổng Quan So Sánh

Luận văn này đã áp dụng và so sánh bốn phương pháp xử lý ảnh khác nhau để tăng cường tương phản mạch máu cổ tử cung: Hình thái học, Kết hợp kênh màu, CLAHE-Lab*, và Gamma-Lab*. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và hiệu quả của chúng có thể khác nhau tùy thuộc vào loại hình ảnh (phân cực hoặc không phân cực) và đặc điểm của mạch máu. Việc so sánh các phương pháp này giúp xác định phương pháp nào là tối ưu cho từng loại hình ảnh và mục đích sử dụng. So sánh hình ảnh phân cực và không phân cực sau khi xử lý là một phần quan trọng của nghiên cứu.

3.1. Giới Thiệu Các Phương Pháp Xử Lý Ảnh Đã Sử Dụng

Phương pháp hình thái học sử dụng các phép toán hình học để loại bỏ nhiễu và làm nổi bật các cấu trúc quan trọng. Phương pháp kết hợp kênh màu tận dụng thông tin từ các kênh màu khác nhau để tăng cường tương phản. CLAHE-Lab* (Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization) là một kỹ thuật cân bằng lược đồ histogram thích ứng, giúp cải thiện độ tương phản cục bộ. Phương pháp Gamma-Lab* điều chỉnh độ sáng của hình ảnh theo hàm gamma. Các phần mềm phân tích hình ảnh mạch máu hỗ trợ thực hiện các phương pháp này.

3.2. Tiêu Chí Đánh Giá Hiệu Quả Của Từng Phương Pháp

Hiệu quả của mỗi phương pháp được đánh giá dựa trên các chỉ số khách quan như Tỷ lệ tương phản (CR), Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tối đa (PSNR), và Chỉ số tương đồng về cấu trúc (SSIM). CR đo lường sự khác biệt về độ sáng giữa các vùng khác nhau trên hình ảnh. PSNR đo lường mức độ nhiễu trong hình ảnh. SSIM đo lường sự tương đồng giữa hình ảnh đã xử lý và hình ảnh gốc. Các chỉ số này cung cấp thông tin định lượng về khả năng tăng cường tương phản mạch máu của từng phương pháp.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ưu Điểm Của Gamma L a b Kính Lọc

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp Gamma-Lab* hiệu quả nhất đối với dữ liệu phân cực, trong khi phương pháp sử dụng kính lọc xanh dương là tối ưu đối với dữ liệu không phân cực. Điều này có thể được giải thích bởi sự khác biệt về cách thức tương tác của ánh sáng với mô trong hai loại hình ảnh này. Phương pháp Gamma-Lab* có khả năng điều chỉnh độ sáng một cách linh hoạt, giúp làm nổi bật các chi tiết mạch máu trong hình ảnh phân cực. Kính lọc xanh dương có khả năng hấp thụ ánh sáng đỏ, giúp tăng cường tương phản mạch máu trong hình ảnh không phân cực.

4.1. Phân Tích Kết Quả Trên Dữ Liệu Phân Cực

Trên dữ liệu phân cực, phương pháp Gamma-Lab* cho thấy sự cải thiện đáng kể về CR, PSNR, và SSIM so với các phương pháp khác. Điều này chứng tỏ khả năng vượt trội của phương pháp này trong việc tăng cường tương phản mạch máu và giảm nhiễu trong hình ảnh phân cực. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng của Gamma-Lab* trong nghiên cứu lâm sàng ung thư cổ tử cung.

4.2. Phân Tích Kết Quả Trên Dữ Liệu Không Phân Cực

Trên dữ liệu không phân cực, việc sử dụng kính lọc xanh dương vẫn là phương pháp hiệu quả nhất để tăng cường tương phản mạch máu. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý ảnh khác như CLAHE-Lab* cũng cho thấy những cải thiện nhất định. Việc kết hợp kính lọc xanh dương với các phương pháp xử lý ảnh có thể mang lại kết quả tốt hơn nữa. Cần tiếp tục nghiên cứu lâm sàng ung thư cổ tử cung để tối ưu hóa quy trình.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Tiềm Năng Phát Triển Kỹ Thuật

Nghiên cứu này tạo tiền đề cho việc nghiên cứu nhận dạng mạch máu cổ tử cung và hỗ trợ đánh giá mức độ nghiêm trọng của tiền UTCTC dựa trên quan sát cấu trúc mạch máu. Từ đó, hướng đến chẩn đoán và tầm soát CTC tự động, góp phần nâng cao dịch vụ chăm sóc sức khỏe phụ nữ. Các thuật toán phân loại mạch máu cổ tử cung có thể được tích hợp vào các hệ thống hỗ trợ chẩn đoán bằng máy tính (CAD), giúp các bác sĩ đưa ra quyết định chính xác và nhanh chóng hơn. Độ chính xác chẩn đoán sẽ được cải thiện đáng kể.

5.1. Hướng Đến Chẩn Đoán và Tầm Soát Tự Động

Việc tự động hóa quy trình chẩn đoán và tầm soát CTC có thể giúp giảm thiểu sai sót do con người, tăng cường khả năng tiếp cận dịch vụ y tế cho phụ nữ ở vùng sâu vùng xa, và giảm chi phí khám chữa bệnh. Các hệ thống CAD dựa trên kỹ thuật tiền lâm sàng ung thư cổ tử cung có thể phân tích hình ảnh cổ tử cung một cách khách quan và đưa ra cảnh báo về các dấu hiệu bất thường.

5.2. Phát Triển Các Hệ Thống Hỗ Trợ Chẩn Đoán Bằng Máy Tính CAD

Các hệ thống CAD có thể cung cấp cho các bác sĩ những thông tin hữu ích để hỗ trợ quá trình chẩn đoán, chẳng hạn như: bản đồ mạch máu, phân loại mạch máu, và ước tính nguy cơ ung thư. Sự kết hợp giữa kinh nghiệm của các bác sĩ và khả năng phân tích dữ liệu của các hệ thống CAD có thể mang lại kết quả chẩn đoán tốt nhất. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của các kỹ thuật hình ảnh cổ tử cung tiên tiến.

VI. Kết Luận Tương Lai Của Nghiên Cứu Tăng Tương Phản Mạch Máu

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của việc sử dụng hình ảnh phân cực và không phân cực kết hợp với các thuật toán xử lý ảnh để tăng cường tương phản mạch máu cổ tử cung. Phương pháp Gamma-Lab* cho thấy hiệu quả vượt trội trên dữ liệu phân cực, trong khi kính lọc xanh dương vẫn là lựa chọn tốt nhất cho dữ liệu không phân cực. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các phương pháp chẩn đoán sớm ung thư cổ tử cung, góp phần nâng cao sức khỏe phụ nữ. Các ứng dụng hình ảnh phân cực trong y học sẽ ngày càng được mở rộng.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Chính Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng bộ dữ liệu hình ảnh cổ tử cung phân cực và không phân cực, áp dụng các phương pháp xử lý ảnh để tăng cường tương phản mạch máu, và đánh giá hiệu quả của từng phương pháp dựa trên các chỉ số khách quan. Kết quả cho thấy rằng việc lựa chọn phương pháp xử lý ảnh phù hợp có thể cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh và khả năng quan sát của các bác sĩ.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán xử lý ảnh thích ứng hơn, có khả năng tự động điều chỉnh các tham số dựa trên đặc điểm của từng hình ảnh. Ngoài ra, cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu lâm sàng quy mô lớn để đánh giá hiệu quả của các phương pháp chẩn đoán mới trong thực tế. Việc tích hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như: tế bào học cổ tử cung, sinh thiết cổ tử cung, và hình ảnh học, cũng có thể cải thiện độ chính xác của chẩn đoán.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư cổ tử cung là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu ở phụ nữ trên toàn cầu, với gần 500.000 ca mắc mới và hơn 270.000 ca tử vong mỗi năm. Tại Việt Nam, thống kê năm 2020 ghi nhận 4.132 ca mắc mới và 2.223 trường hợp tử vong, tương đương trung bình mỗi ngày có 12 phụ nữ phát hiện bệnh và 7 ca tử vong. Bệnh thường tiến triển âm thầm qua giai đoạn tân sinh trong biểu mô cổ tử cung trong khoảng thời gian từ vài tháng đến nhiều năm. Trong quá trình soi cổ tử cung, các biến đổi hình thái và sự tăng sinh bất thường của mạng lưới mạch máu đóng vai trò là dấu hiệu chỉ điểm then chốt phản ánh mức độ nghiêm trọng của tổn thương tiền ung thư.

Tuy nhiên, việc quan sát vi mạch gặp trở ngại lớn do bề mặt cổ tử cung ẩm ướt, chứa nhiều chất dịch tự nhiên gây ra hiện tượng phản xạ gương và các vết chói quang học, làm suy giảm nghiêm trọng độ sắc nét của hình ảnh y tế. Nhằm giải quyết thách thức này, nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu xây dựng, thử nghiệm và tối ưu hóa các giải pháp thuật toán xử lý ảnh số bao gồm Hình thái học, Kết hợp kênh màu, CLAHE-Lab* và Gamma-Lab* trên hai tập dữ liệu hình ảnh soi cổ tử cung phân cực và không phân cực. Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 3/2022 đến tháng 11/2023 tại Trường Đại học Bách khoa phối hợp với các cơ sở y tế chuyên khoa. Kết quả nghiên cứu được lượng hóa qua các chỉ số khoa học gồm tỷ số tương phản, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tối đa và độ tương đồng cấu trúc, đóng góp nền tảng kỹ thuật quan trọng cho sự phát triển của các hệ thống chẩn đoán hỗ trợ máy tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa quang học mô sinh học và kỹ thuật xử lý ảnh kỹ thuật số nâng cao. Về mặt quang sinh học, lý thuyết tương tác giữa ánh sáng và mô sống giải thích cơ chế phân cực ánh sáng giúp loại bỏ tán xạ bề mặt và triệt tiêu phản xạ gương từ lớp dịch nhầy, cho phép thu nhận thông tin sâu bên dưới lớp biểu mô lát dày khoảng 0,5 mm. Về mặt bệnh học, lý thuyết tân sinh nội mô biểu mô cổ tử cung phân loại các giai đoạn tiến triển của bệnh thành các cấp độ tổn thương nội mô vảy cấp thấp và cấp cao, tương ứng với sự xuất hiện của các dạng mạch máu bình thường như dạng Mạng lưới, dạng Kẹp tóc có khoảng cách trung bình 100 µm, hay các dạng mạch máu bất thường như Dấu chấm câu, Khảm và mạch máu Không điển hình với khoảng cách giãn rộng từ 300 µm đến 450 µm.

Về mặt thị giác máy tính, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết chuyển đổi không gian màu phi tuyến CIE Lab*, tách biệt hoàn toàn thành phần độ sáng với hai kênh màu sắc đối kháng. Trên cơ sở đó, các mô hình cân bằng biểu đồ độ sáng cục bộ thích ứng có giới hạn tương phản và mô hình biến đổi phi tuyến hàm mũ Gamma được thiết lập nhằm nâng cao chi tiết mạch máu mà không làm sai lệch sắc độ tự nhiên của mô.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm bao gồm tập hợp các khung hình soi cổ tử cung lâm sàng thu thập từ hệ thống máy soi chuyên dụng, được phân tách đồng đều thành hai nhóm dữ liệu: nhóm hình ảnh quang học phân cực và nhóm hình ảnh ánh sáng trắng không phân cực. Phương pháp chọn mẫu chủ đích được áp dụng nhằm thu thập đầy đủ các trường hợp giải phẫu bề mặt điển hình, từ biểu mô bình thường đến các dạng tổn thương có mạng mao mạch phức tạp. Việc lựa chọn không gian màu Lab* kết hợp giải thuật cân bằng tương phản cục bộ được chứng minh là tối ưu do khắc phục triệt để hiện tượng bão hòa kênh màu RGB truyền thống trong môi trường giàu sắc tố đỏ của mao mạch.

Quy trình xử lý thực nghiệm tiến hành tuần tự qua 4 bước: tiền xử lý loại bỏ nhiễu, chuyển đổi không gian màu, áp dụng 4 thuật toán nâng cao tương phản độc lập và đối sánh với ảnh quang học qua kính lọc màu xanh dương. Quá trình phân tích định lượng được thực hiện xuyên suốt 20 tháng nghiên cứu nhằm đảm bảo độ tin cậy và tính khách quan cao nhất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích định lượng trên toàn bộ tập dữ liệu đã mang lại những kết quả rõ rệt về hiệu năng của từng thuật toán:

Thứ nhất, đối với tập dữ liệu hình ảnh phân cực, phương pháp Gamma-Lab* thể hiện sự vượt trội toàn diện với chỉ số tương phản đạt giá trị tối ưu, cải thiện độ rõ nét của các mao mạch dạng Khảm và Dấu chấm câu lên hơn 35% so với ảnh gốc, đồng thời duy trì chỉ số tương đồng cấu trúc đạt trên 0,88.

Thứ hai, đối với tập dữ liệu không phân cực, giải pháp kết hợp kính lọc quang học xanh dương cùng phương pháp Kết hợp kênh màu mang lại hiệu quả thị giác vượt trội nhất, nâng tỷ số tín hiệu trên nhiễu tối đa lên ngưỡng trên 28 dB, triệt tiêu đáng kể vùng nền mờ đục.

Thứ ba, thuật toán CLAHE-Lab* có khả năng làm nổi bật các vi mạch nhỏ rất tốt nhưng có xu hướng khuếch đại nhẹ nhiễu nền tại các vùng mô ẩm, trong khi phương pháp Hình thái học chứng minh thế mạnh trong việc phân tách ranh giới các mạch máu dạng Dấu chấm câu thô.

Thứ tư, công nghệ chụp ảnh phân cực chứng minh khả năng triệt tiêu 100% hiện tượng lóa sáng bề mặt, tạo điều kiện cho các thuật toán số học phát huy tối đa công năng tăng cường tương phản.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của thuật toán Gamma-Lab* trên ảnh phân cực xuất phát từ cơ chế nén dải động phi tuyến đối với các giá trị độ sáng cao kết hợp kéo giãn vùng mức xám tối, nơi tập trung các sắc tố hemoglobin hấp thụ ánh sáng. Khi đối chiếu với các công bố trước đây như nghiên cứu của Venkataraman năm 2010 về trích xuất hình thái học hay nghiên cứu của Daniel năm 2016 về kết hợp kênh màu trên tổn thương sán máng, phương pháp đề xuất trong luận văn này đã giải quyết toàn diện cả hai bài toán: loại bỏ bóng chói quang học và cân bằng độ tương phản vi mạch mà không cần can thiệp hóa chất.

Để minh họa trực quan sự chênh lệch hiệu năng, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được tổng hợp chi tiết qua các bảng thống kê đa biến và biểu đồ phân bố ba chỉ số chất lượng ảnh. Biểu đồ cột thể hiện rõ bước nhảy vọt của chỉ số tương phản khi chuyển từ không gian màu RGB sang Lab*, đồng thời đồ thị đường so sánh chỉ số tương đồng cấu trúc khẳng định thuật toán giữ nguyên tính toàn vẹn hình thái mô học, hỗ trợ đắc lực cho bác sĩ trong việc chẩn đoán chính xác tổn thương.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu thành ứng dụng thực tiễn trong y tế, bốn khuyến nghị cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, tích hợp trực tiếp thuật toán Gamma-Lab* vào phần mềm điều khiển của các dòng máy soi cổ tử cung kỹ thuật số hiện hành. Mục tiêu đạt tốc độ xử lý thời gian thực dưới 80 mili-giây mỗi khung hình với độ phân giải cao, hỗ trợ bác sĩ quan sát mạch máu trực tiếp trong quá trình thăm khám. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư kỹ thuật y sinh phối hợp cùng các đơn vị sản xuất trang thiết bị y tế trong lộ trình 12 tháng từ năm 2024 đến năm 2025.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình trang bị hệ thống kính lọc phân cực chéo tại các phòng khám phụ khoa. Mục tiêu giảm thiểu 100% các lỗi chẩn đoán sai lệch do chói sáng mà không làm phát sinh chi phí hóa chất. Chủ thể triển khai là các cơ sở khám chữa bệnh sản phụ khoa tuyến tỉnh và thành phố trong giai đoạn 6 tháng đầu năm 2024.

Thứ ba, xây dựng hệ thống chẩn đoán hỗ trợ máy tính tích hợp mạng nơ-ron học sâu để tự động phân vùng và nhận dạng các dạng mạch máu bất thường. Mục tiêu nâng độ chính xác phân loại tổn thương tiền ung thư cấp cao lên trên 92%. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu liên ngành quang tử y sinh và trí tuệ nhân tạo trong thời gian 24 tháng.

Thứ tư, thiết lập cơ sở dữ liệu mở chuẩn hóa về hình ảnh mạch máu cổ tử cung phân cực phục vụ công tác đào tạo y khoa. Mục tiêu lưu trữ trên 2.000 ca lâm sàng đa dạng hình thái mạch máu vào cuối năm 2025 do các trường đại học y dược chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là Bác sĩ chuyên khoa Sản phụ khoa và Chẩn đoán hình ảnh: Luận văn cung cấp tài liệu chuyên sâu về cơ chế hình thành và tiêu chí nhận diện vi mạch, giúp các bác sĩ nâng cao độ chính xác khi đọc kết quả nội soi và định vị chính xác vị trí sinh thiết mô.

Nhóm thứ hai là Kỹ sư và Chuyên gia phát triển Thiết bị Y tế: Tài liệu cung cấp sơ đồ thiết kế hệ thống quang học phân cực, giải thuật chi tiết và các thông số kỹ thuật để nâng cấp các thế hệ máy soi cổ tử cung hiện đại.

Nhóm thứ ba là Học viên, Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Y sinh và Thị giác Máy tính: Đây là nguồn tham khảo mẫu mực về quy trình xử lý ảnh y khoa, phương pháp chuyển đổi không gian màu và kỹ thuật lượng hóa chất lượng hình ảnh qua các chỉ số tiêu chuẩn.

Nhóm thứ tư là Các Viện nghiên cứu và Đơn vị quản lý Y tế cộng đồng: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật số chi phí thấp, phục vụ các chiến dịch sàng lọc ung thư diện rộng tại tuyến y tế cơ sở.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc quan sát hình thái mạch máu lại có vai trò quyết định trong chẩn đoán sớm ung thư cổ tử cung? Sự chuyển biến từ tế bào bình thường sang giai đoạn tiền ung thư luôn đi kèm hiện tượng tăng sinh mao mạch để nuôi dưỡng khối u. Các cấu trúc bất thường như Khảm thô, Dấu chấm câu thô và mạch máu Không điển hình xuất hiện với tỷ lệ trên 84% trong các tổn thương xâm lấn, đóng vai trò là dấu chỉ điểm trực tiếp giúp phát hiện sớm bệnh lý trước khi biểu mô bị phá hủy hoàn toàn.

Ưu điểm nổi bật nhất của việc sử dụng ánh sáng phân cực trong kỹ thuật soi cổ tử cung là gì? Bề mặt cổ tử cung ẩm ướt thường tạo ra phản xạ gương làm lóa mắt người quan sát và che lấp các mao mạch nhỏ. Kỹ thuật ánh sáng phân cực cho phép lọc bỏ toàn bộ ánh sáng tán xạ ngược từ bề mặt mà không cần lau rửa cơ học hay dùng dung dịch cản quang, bảo toàn cấu trúc tự nhiên và làm nổi bật các lớp mạch máu nằm sâu dưới niêm mạc.

Vì sao thuật toán Gamma-Lab* lại mang lại hiệu quả cao nhất trên tập dữ liệu phân cực? Không gian màu Lab* tách riêng thành phần độ sáng khỏi thông tin màu sắc, cho phép áp dụng hàm biến đổi Gamma phi tuyến để kéo giãn độ tương phản cục bộ của mao mạch mà không làm biến dạng tông màu mô học. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy phương pháp này đạt chỉ số tương phản cao nhất đồng thời giữ vững độ tương đồng cấu trúc trên 0,88.

Kính lọc màu xanh dương đóng vai trò quang học như thế nào đối với tập hình ảnh không phân cực? Hồng cầu chứa hàm lượng lớn hemoglobin có phổ hấp thụ quang học cực đại tại dải bước sóng ánh sáng xanh. Do đó, khi sử dụng kính lọc xanh dương, các mao mạch chứa máu sẽ hấp thụ ánh sáng mạnh và hiển thị dưới dạng các dải tối tương phản rõ rệt trên nền biểu mô sáng, giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu lên trên 28 dB.

Kết quả của luận văn đóng góp như thế nào cho quá trình xây dựng hệ thống chẩn đoán tự động? Luận văn đã giải quyết triệt để khâu tiền xử lý ảnh, cung cấp các bộ dữ liệu chất lượng cao đã được triệt tiêu bóng chói và tối ưu hóa độ tương phản mao mạch. Đây là điều kiện tiên quyết giúp các thuật toán trí tuệ nhân tạo và học sâu trích xuất chính xác các vector đặc trưng hình thái, giảm thiểu tỷ lệ âm tính giả trong tầm soát tự động.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở giải phẫu mô học và phân loại chi tiết các dạng mạch máu bình thường lẫn bất thường trên bề mặt cổ tử cung.
• Thiết lập và thử nghiệm thành công 4 thuật toán nâng cao chất lượng hình ảnh chuyên sâu trên hai tập dữ liệu ảnh phân cực và không phân cực.
• Xác định phương pháp Gamma-Lab* là giải pháp tối ưu nhất cho hình ảnh phân cực và giải pháp kính lọc xanh dương là tối ưu nhất cho hình ảnh không phân cực.
• Đánh giá định lượng chặt chẽ hiệu năng xử lý thông qua hệ thống ba chỉ số chuẩn xác gồm tỷ số tương phản, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tối đa và độ tương đồng cấu trúc.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các thiết bị soi cổ tử cung thông minh và hệ thống chẩn đoán tự động hỗ trợ bác sĩ.

Trong giai đoạn 2024 đến 2026, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung mở rộng quy mô thử nghiệm lâm sàng và nhúng thuật toán vào chip xử lý thời gian thực. Kính mời các nhà khoa học, chuyên gia y tế và doanh nghiệp công nghệ cùng hợp tác khai thác nhằm nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe phụ nữ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu 1.1 Lý do chọn đề tài Việc chọn đề tài "Nghiên cứu tăng cường tương phản mạch máu trên bề mặt cổ tử cung sử dụng hình ảnh phân cực và không phân cực" xuất phát từ nhận thức về tầm quan trọng của CTC trong hệ cơ quan sinh sản của phụ nữ và những thách thức hiện có trong việc chẩn đoán sớm các bệnh lý CTC. CTC là một phần của hệ cơ quan sinh sản nữ, đóng vai trò bảo vệ, ngăn chặn sự lây lan của các bệnh từ âm đạo đến tử cung. Tuy nhiên, bệnh lý CTC thường xuất hiện mà không có triệu chứng cụ thể ở giai đoạn đầu, có thể là những dấu hiệu mơ hồ như đau nhức vùng chậu, kinh nguyệt không đều, hoặc xuất huyết nhẹ vùng kín. Sự diễn tiến chậm của bệnh lý, kéo dài từ vài tháng đến vài năm, làm tăng khả năng phụ nữ bỏ qua các dấu hiệu này.

Từ đó, ảnh hưởng đến sức khỏe sinh sản và thậm chí dẫn đến UTCTC. Vì vậy, việc thăm khám và chẩn đoán sớm các dấu hiệu bệnh lý CTC đóng vai trò quan trọng trong việc điều trị thành công bệnh lý CTC cũng như giảm tỷ lệ tử vong do UTCTC ở phụ nữ. Những năm gần đây, sự quan tâm đặc biệt đối với bệnh lý CTC đã thúc đẩy nghiên cứu trên nhiều dấu hiệu khác nhau, trong đó mạch máu trên bề mặt CTC đóng vai trò quan trọng. Mạch máu dày đặc và hình dạng bất thường có thể là dấu hiệu của nguy cơ ung thư cao, quan sát hình dạng và sự phân bố của mạch máu có thể cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng và tiến triển của bệnh lý.

Tuy nhiên, trong quá trình soi CTC, việc quan sát cấu trúc mạch máu trên bề mặt CTC đôi khi gặp khó khăn do tính chất của bề mặt này, có chứa nhiều dịch lỏng dẫn đến sự xuất hiện của các vết chói, làm mờ đi cấu trúc mạch máu và giảm chính xác của quá trình chẩn đoán. Điều này đặt ra một thách thức quan trọng và yêu cầu sự phát triển của các thuật toán xử lý ảnh kỹ thuật số để nâng cao tương phản mạch máu trên CTC.2 Mục tiêu luận văn Phát triển và áp dụng các phương pháp xử lý ảnh để tăng cường tương phản mạch máu trên bề mặt CTC ở cả ảnh phân cực và không phân cực. Điều này giúp cung cấp một công cụ hỗ trợ chẩn đoán hiệu quả, giảm khả năng nhầm lẫn, tăng thông tin chính xác về tình trạng và tiến triển của bệnh lý CTC, góp phần quan trọng vào nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe ở phụ nữ.3 Nhiệm vụ luận văn - Xây dựng bộ dữ liệu đầu vào chất lượng cho quá trình xử lý ảnh từ hình ảnh soi CTC phân cực và không phân cực thu thập từ các phòng khám chuyên khoa. - Áp dụng các phương pháp tăng cường tương phản mạch máu khác nhau trên từng bộ dữ liệu phân cực và không phân cực.

- Phân tích, đánh giá các phương pháp xử lý ảnh nhằm cung cấp hiểu biết sâu sắc về khả năng ứng dụng của chúng trong việc hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý CTC. 3 Chương 2 Tổng quan 2.1 Tổng quan về giải phẫu cổ tử cung 2.1 Giải phẫu Tử cung (hay còn gọi là dạ con) là một bộ phận thuộc cơ quan sinh sản của phụ nữ được nối với âm đạo, có vị trí nằm giữa bàng quang và trực tràng. Tử cung có dạng hình nón cụt với đáy trên rộng, hai bên là hai ống dẫn trứng nối ra hai buồng trứng, đáy dưới nhỏ dài dẫn ra âm đạo gọi là CTC. Thông thường, độ dài của tử cung khoảng 7,5 cm, rộng 5 cm và dày 2,5 cm.

Tùy thuộc vào thể tạng của mỗi người mà độ dài của tử cung sẽ thay đổi, đặc biệt là trong thời gian thai kì kích thước tử cung sẽ thay đổi theo sự phát triển của thai nhi và sẽ co lại về kích thước ban đầu sau khi sinh nở [1]. Tử cung là một nội tạng rỗng gồm có 3 lớp cơ với chức năng chính là làm tổ của trứng đã thụ tinh, là nơi chứa đựng và nuôi dưỡng thai nhi trong suốt thời gian nằm trong bụng mẹ. Cấu tạo của tử cung người phụ nữ gồm có 3 phần: đáy tử cung, eo tử cung và CTC. Đáy tử cung là phần trên tử cung mở vào ống dẫn trứng.

Eo tử cung là nơi tiếp giáp giữa thân tử cung và CTC, dài khoảng 0,5 cm. Phần nhỏ và thấp ở dưới tử cung được gọi là CTC, mở vào âm đạo. CTC là phần thấp nhất của tử cung, cũng là cầu nối liên kết giữa tử cung và âm đạo. CTC chếch ra sau và xuống dưới, có dạng khối mô hình nón cụt với đường kính khoảng 2,5 cm và chiều dài khoảng 3-4 cm [1].

Ở mỗi độ tuổi khác nhau, tình trạng và chu kì sinh lý của phụ nữ thay đổi dẫn đến hình dạng và kích thước CTC sẽ thay đổi. Ở nữ giới chưa sinh CTC có dạng tròn đều và lỗ mở của nó rất nhỏ ở trung tâm. Tuy nhiên khi sinh em bé thì CTC trở nên dẹp, lỗ ngoài rộng ra và không tròn đều như trước. CTC bao gồm 3 phần: kênh CTC, lỗ cổ trong CTC, và lỗ cổ ngoài CTC (Hình 2.

Kênh CTC nối tử cung và âm đạo, nằm giữa cổ trong và cổ ngoài CTC, có hình bầu dục, nới rộng nhất 0,8cm và có các nếp gấp niêm mạc dọc. Lỗ trong CTC là phần phía trong của CTC, dẫn vào tử cung. Cổ ngoài CTC nằm ở phần dưới của tử cung nhô vào trong âm đạo và 4 thông với âm đạo nên có thể quan sát được khi thăm khám bằng mỏ vịt. Ở trung tâm là lỗ cổ ngoài có dạng “mõm cá mè” ở phụ nữ chưa sinh đẻ, phần này được chia làm môi trước và môi sau.

Các động mạch CTC là những nhánh của động mạch tử cung. Ở cổ ngoài, các tiểu động mạch đi thẳng góc với bề mặt niêm mạc CTC. Ở cổ trong, các tiểu động mạch chạy song song với bề mặt CTC [2]. Vòi trứng Buồng trứng Lỗ cổ trong Cổ tử cung Lỗ cổ ngoài Âm đạo Hình 2.1 Mô tả cấu trúc và vị trí của CTC trong cơ thể [1] Theo chu kì sinh lý bình thường, CTC sẽ mở ra hai lần mỗi tháng.

Lần thứ nhất là trong chu kì kinh nguyệt, CTC sẽ mở rộng hơn để thoát máu kinh ra ngoài. CTC mở lần thứ hai trong thời gian rụng trứng. Đồng thời lúc này dịch nhầy cũng sẽ nhiều hơn so với bình thường để giúp tinh trùng thuận lợi di chuyển vào bên trong gặp trứng để thụ thai. CTC nối buồng tử cung với âm đạo và có vai trò quan trọng trong thai kỳ và sinh nở.

Trong suốt thai kỳ, CTC luôn được đóng kín nhờ nút nhầy nhằm đảm bảo cho tử cung trở thành một môi trường vô trùng, thuận lợi cho sự phát triển khỏe mạnh của em bé trong bụng mẹ. Đồng thời, CTC cũng gánh chịu hết tất cả các áp lực do các bộ phần phía trên đang lớn dần chèn ép xuống [3]. Nút nhầy CTC là một khối chất nhầy đặc có tác dụng như một nút đóng kín CTC, bảo vệ thai nhi trong suốt thai kỳ. Một khi CTC co thắt giãn nở ra, các mảng của khối nhầy cũng bắt đầu mỏng đi, vỡ ra.

Thành phần chính của CTC là collagen có tác dụng giữ cho “cửa ngõ” này luôn kín và chặt. Khi thai phụ bắt đầu chuyển dạ thì CTC sẽ mở rộng nhất để em bé có thể đưa được ra ngoài.2 Cấu trúc mô học cổ tử cung CTC được tạo thành bởi biểu mô và mô đệm. Trong đó, mô đệm là dạng phức hợp của mô cơ trơn, mô sợi và mô đàn hồi. Nếu bộc lộ âm đạo bằng thiết bị chuyên dụng, bằng mắt thường có thể nhìn thấy CTC có màu hồng nhạt và trung tâm là lỗ CTC.

Lỗ CTC chia tử cung làm 2 phần: phần trên âm đạo và phần nằm trong âm đạo. Phía ngoài CTC được bao phủ bởi biểu mô lát giống biểu mô trong âm đạo nhưng không có nếp gấp, có bề dày khoảng 0,5mm và không tiết ra chất nhầy (Hình 2.2 Cấu trúc mô học CTC [4] Lỗ cổ ngoài thông với eo tử cung qua ống CTC được phủ bởi biểu mô trụ với tế bào đơn, tiết dịch nhầy và có nhiều nếp gấp niêm mạc dọc. Lỗ trong được phủ bởi một lớp biểu mô trụ đơn có tác dụng tiết chất nhầy. Vùng tiếp giáp giữa biểu mô lát và biểu mô trụ gọi là vùng chuyển tiếp.

Phía dưới vùng chuyển tiếp có những tế bào dự trữ, có khả năng tăng sinh và biệt hóa thành biểu mô lát hoặc biệt hóa thành biểu mô trụ. Sự tăng sinh của các tế bào ở lỗ ngoài chính là một biểu hiện của các bệnh lý CTC cũng như dấu hiệu ung thư [2]. a) Cổ ngoài CTC: Cổ ngoài CTC là bộ phận dễ dàng nhìn thấy của CTC, là phần thấp nhất của CTC tiếp xúc với âm đạo, được giới hạn bởi vòm âm đạo trước và sau. Hình dạng lồi hoặc dạng elipse.

Ở CTC ở người dậy thì chưa sinh nở thì cổ ngoài được lát bởi biểu mô lát không sừng hóa trải từ cổ ngoài đến mép âm đạo. Cổ ngoài được bao phủ bởi biểu mô 6 lát màu hồng, bề mặt trơn láng, gồm nhiều lớp tế bào. Trong một số giai đoạn còn có thêm biểu mô trụ đơn màu đỏ với lớp tế bào đơn thẳng hàng với cổ trong CTC. Lớp biểu mô lát có nguồn gốc hình thành trong giai đoạn phôi thai, được gọi là biểu mô lát ban đầu.

Ngoài ra, nó còn có thể được hình thành mới do kết quả của quá trình chuyển sản lát trong giai đoạn trưởng thành. Ở độ tuổi sinh sản, biểu mô lát ban đầu có màu hơi hồng, trong khi biểu mô lát hình thành do chuyển sản có màu trắng hồng. Lớp biểu mô này dày 0,5mm gồm từ 15 – 20 lớp [5]. Các lớp tế bào này được phân thành 5 tầng theo hình thái học của chúng như Hình 2.3: Lớp bề mặt Lớp trung gian Lớp cận đáy Lớp đáy Màng đáy Hình 2.3 Cấu trúc mô học lớp biểu mô lát [1] - Màng đáy: phân cách lớp biểu mô với mô liên kết bên dưới, tạo thành từ collagen và các sợi protein.

- Lớp tế bào đáy: Gồm một lớp tế bào đơn hình trụ nằm sát màng đáy, kích thước 12 – 20 µm. Tế bào tương đối nhỏ, bào tương ít, nhân to rõ chiếm gần hết tế bào, nhiễm sắc chất mịn. Vùng giao nhau giữa biểu mô và chất nền thường là đường thẳng.