Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu

Luận văn thạc sĩ môi trường nghiên cứu hay nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoàng Yến
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Thị Thúy Quỳnh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG
• 1.1. Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán
• 1.2. Những kiến thức cơ bản về sự lan truyền sóng biến dạng
• 1.3. Phương pháp tạo hình bằng siêu âm
• 2. CHƯƠNG 2: TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU GAUSS
• 2.1. Biểu diễn lan truyền sóng biến dạng sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD)
• 2.2. Nhiễu trong ảnh siêu âm
• 2.3. Lọc nhiễu ảnh 2D bằng bộ lọc LMS
• 2.4. Ước lượng độ đàn hồi nhớt sử dụng bộ lọc thích nghi bình phương trung bình tối thiểu kết hợp thuật toán Biến đổi ngược đại số Helmholtz
• 2.5. Xây dựng kịch bản mô phỏng tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu gauss và kết quả
• 3. CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯỢNG CSM TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU GAUSS VÀ HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ
• 3.1. Ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng đến ước lượng CSM
• 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ trong việc ước lượng CSM
• 3.2.1. Xây dựng kịch bản mô phỏng
• 3.2.2. Kết quả mô phỏng
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng

Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm trong môi trường nhiễu bằng sóng biến dạng đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong y học hiện đại. Phương pháp này không chỉ giúp nâng cao chất lượng hình ảnh mà còn hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán chính xác hơn. Việc sử dụng sóng biến dạng trong siêu âm giúp cải thiện khả năng phát hiện các tổn thương trong mô mềm, đặc biệt là trong các trường hợp có nhiễu. Nghiên cứu này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản và ứng dụng của phương pháp này.

1.1. Nguyên lý hoạt động của siêu âm sóng biến dạng

Siêu âm sóng biến dạng hoạt động dựa trên nguyên lý truyền sóng âm qua các mô. Tốc độ truyền sóng và trở kháng âm là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Sóng biến dạng giúp xác định độ đàn hồi và nhớt của mô, từ đó cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng sóng biến dạng trong siêu âm

Việc áp dụng sóng biến dạng trong siêu âm mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng phát hiện sớm các tổn thương và giảm thiểu sự cần thiết của sinh thiết. Phương pháp này giúp nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán, đặc biệt là trong các trường hợp có nhiễu Gauss.

II. Thách thức trong việc tạo ảnh siêu âm trong môi trường nhiễu

Môi trường nhiễu là một trong những thách thức lớn nhất trong việc tạo ảnh siêu âm. Nhiễu có thể làm giảm chất lượng hình ảnh và gây khó khăn trong việc phân tích. Việc hiểu rõ các loại nhiễu và cách chúng ảnh hưởng đến quá trình tạo ảnh là rất quan trọng để cải thiện kết quả chẩn đoán.

2.1. Các loại nhiễu trong siêu âm

Nhiễu trong siêu âm có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nhiễu Gauss và hiện tượng phản xạ. Những yếu tố này có thể làm giảm độ rõ nét của hình ảnh và gây khó khăn trong việc phân tích kết quả.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng hình ảnh

Nhiễu có thể làm giảm độ tương phản và độ phân giải của hình ảnh siêu âm. Điều này có thể dẫn đến việc bỏ sót các tổn thương quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng chẩn đoán của bác sĩ.

III. Phương pháp tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng hiệu quả

Để tạo ảnh siêu âm chất lượng cao trong môi trường nhiễu, cần áp dụng các phương pháp tiên tiến. Các kỹ thuật như phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) và bộ lọc LMS đã được chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh.

3.1. Phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian FDTD

Phương pháp FDTD cho phép mô phỏng sự lan truyền của sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu. Kỹ thuật này giúp cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng các thông số của mô.

3.2. Bộ lọc LMS trong xử lý ảnh siêu âm

Bộ lọc LMS được sử dụng để giảm thiểu nhiễu trong ảnh siêu âm. Kỹ thuật này giúp nâng cao độ rõ nét của hình ảnh, từ đó hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán.

IV. Ứng dụng thực tiễn của siêu âm sóng biến dạng

Siêu âm sóng biến dạng đã được áp dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế, đặc biệt là trong việc phát hiện các bệnh lý như xơ gan và ung thư. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp này có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong chẩn đoán.

4.1. Chẩn đoán xơ gan bằng siêu âm sóng biến dạng

Nghiên cứu cho thấy siêu âm sóng biến dạng có thể giúp xác định độ xơ hóa của gan, từ đó hỗ trợ trong việc chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân xơ gan.

4.2. Ứng dụng trong chẩn đoán ung thư

Phương pháp này cũng đã được áp dụng trong việc phát hiện các khối u ác tính, giúp bác sĩ đưa ra quyết định điều trị kịp thời và chính xác hơn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong môi trường nhiễu mở ra nhiều triển vọng cho y học hiện đại. Việc cải thiện chất lượng hình ảnh sẽ giúp nâng cao khả năng chẩn đoán và điều trị bệnh. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để tối ưu hóa quy trình này.

5.1. Tương lai của siêu âm sóng biến dạng

Với sự phát triển của công nghệ, siêu âm sóng biến dạng hứa hẹn sẽ trở thành một công cụ quan trọng trong chẩn đoán y tế, giúp nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

5.2. Nhu cầu nghiên cứu và phát triển thêm

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để cải thiện các thuật toán và kỹ thuật xử lý ảnh, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong chẩn đoán.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư gan hiện đang là một trong những thách thức y tế hàng đầu tại Việt Nam với gánh nặng bệnh tật và tỷ lệ tử vong rất cao. Theo báo cáo dịch tễ học, năm 2018 Việt Nam ghi nhận gần 165.000 ca mắc ung thư mới trên quy mô dân số 96,5 triệu người, và con số này ước tính vượt mức 189.000 ca vào năm 2020. Trong đó, ung thư gan dẫn đầu về tỷ lệ mắc với hơn 25.000 trường hợp ghi nhận trong năm 2018. Tỷ lệ sống sót sau 5 năm của bệnh nhân ung thư gan trung bình chỉ đạt khoảng 9%. Đáng chú ý, nếu tổn thương được phát hiện và can thiệp ở giai đoạn sớm, tỷ lệ sống trên 5 năm có thể đạt 19%, nhưng con số này sẽ giảm mạnh xuống 6,5% ở giai đoạn hai và chỉ còn khoảng 3,5% khi bệnh tiến triển sang giai đoạn muộn.

Phần lớn các ca ung thư gan phát triển trên nền bệnh lý xơ gan mãn tính. Do đó, việc tầm soát và chẩn đoán định lượng mức độ xơ hóa đóng vai trò then chốt giúp bác sĩ đưa ra phác đồ can thiệp kịp thời. Mặc dù sinh thiết mô gan được xem là tiêu chuẩn vàng truyền thống, kỹ thuật xâm lấn này tiềm ẩn nhiều biến chứng nghiêm trọng xảy ra ở 1% đến 5% bệnh nhân, với tỷ lệ tử vong được ghi nhận từ 1 trên 1.000 đến 1 trên 10.000 ca. Nhằm khắc phục triệt để các rủi ro trên, kỹ thuật tạo ảnh siêu âm đàn hồi sóng biến dạng đã ra đời như một giải pháp không xâm lấn tiên tiến.

Tuy nhiên, chất lượng tạo ảnh sóng biến dạng trong thực tế lâm sàng luôn bị suy giảm bởi nhiễu Gauss ngẫu nhiên và hiện tượng phản xạ sóng tại các mặt phân cách mô. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2020 nhằm giải quyết bài toán ước lượng mô đun shear phức trong môi trường mô mềm sinh học 2D có nhiễu. Mục tiêu trọng tâm là kết hợp phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian, bộ lọc thích nghi trung bình bình phương tối thiểu và thuật toán biến đổi ngược đại số Helmholtz để tái tạo chính xác độ đàn hồi và độ nhớt của mô xơ hóa, giảm thiểu sai số đo lường xuống dưới 8,02%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng vật lý truyền sóng âm và mô hình lưu biến học mô mềm. Đầu tiên, mô hình viscoelastic Kelvin-Voigt được áp dụng để biểu diễn mô đun shear phức CSM trong miền tần số. Mô hình này kết hợp đồng thời hai đặc tính cơ học cơ bản của mô mềm sinh học bao gồm độ đàn hồi tĩnh (ký hiệu là $\mu$, đơn vị Pascal) và độ nhớt động học (ký hiệu là $\eta$, đơn vị Pascal giây). Phương trình mô tả mối liên hệ giữa vận tốc truyền sóng biến dạng, mật độ khối của mô và các thành phần cơ học cho thấy sóng biến dạng lan truyền với vận tốc càng cao thì mô tổn thương có độ cứng càng lớn.

Khung lý thuyết thứ hai là hệ phương trình truyền sóng Navier và định luật phản xạ sóng âm Snell. Trong môi trường không đồng nhất, khi sóng biến dạng di chuyển qua mặt phân cách giữa hai tổ chức mô có trở kháng âm khác nhau, một phần năng lượng sóng sẽ bị phản xạ ngược lại với hệ số phản xạ R phụ thuộc vào mức độ chênh lệch trở kháng. Trở kháng âm của mô gan bình thường đạt khoảng 1,65 Mrayl, mô cơ đạt 1,7 Mrayl trong khi mô mỡ là 1,38 Mrayl.

Các khái niệm cốt lõi được vận dụng xuyên suốt bao gồm: Sóng biến dạng (Shear Wave) với đặc tính dao động vuông góc với phương truyền sóng và vận tốc chỉ bằng khoảng 60% sóng dọc; Kỹ thuật xung lực bức xạ âm (ARFI) và kích thích rung kim cơ học từ 50 Hz đến 450 Hz; Thuật toán lọc thích nghi trung bình bình phương tối thiểu (LMS); và Thuật toán biến đổi ngược đại số Helmholtz (AHI) dùng để giải trực tiếp bài toán ngược trường sóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số học kết hợp kiểm chứng định lượng trên môi trường tính toán khoa học chuyên sâu. Dữ liệu nghiên cứu được khởi tạo từ mô hình mô phỏng trường sóng 2D đại diện cho vùng mô mềm sinh học có kích thước không gian 120 nhân 120 mm. Bên trong môi trường nền có bố trí một khối xơ gan hình tròn tại tọa độ tâm (40 mm, 40 mm) với bán kính 15 mm.

Cỡ mẫu dữ liệu khảo sát bao gồm toàn bộ lưới không gian 2D với 120 nhân 120 điểm nút, tương đương 14.400 vị trí đo với bước lưới lấy mẫu đồng đều 1 mm theo cả hai trục tọa độ X và Y. Để đảm bảo độ tin cậy cao nhất, phương pháp chọn mẫu phân tích tập trung vào vùng khảo sát ROI có kích thước 75 nhân 75 mm tương ứng với các tọa độ từ 5 mm đến 79 mm, giúp loại bỏ vùng chuyển tiếp bất ổn định sát nguồn kích thích và vùng suy giảm biên độ quá mức ở rìa ngoài.

Phương pháp phân tích được thực hiện qua quy trình 3 giai đoạn chặt chẽ:

1. Mô hình hóa quá trình lan truyền sóng biến dạng trong môi trường dị thể bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) với nguồn kích thích rung kim tần số 200 Hz, biên độ 5 mm và mật độ mô 1.000 kg/m³.
2. Ứng dụng bộ lọc thích nghi LMS với chiều dài bộ lọc xác định để triệt tiêu thành phần nhiễu Gauss cộng sinh ra trong quá trình thu nhận vận tốc hạt bằng siêu âm Doppler.
3. Sử dụng thuật toán AHI chuyển đổi phương trình sóng từ miền thời gian sang phương trình Helmholtz trong miền tần số để ước lượng trực tiếp giá trị độ đàn hồi $\mu$ và độ nhớt $\eta$ tại từng điểm ảnh.

Lý do lựa chọn chuỗi giải thuật FDTD-LMS-AHI là nhờ khả năng mô phỏng chính xác sóng biến dạng trong môi trường không đồng nhất, loại bỏ nhiễu hiệu quả mà không làm méo tín hiệu gốc, đồng thời tiết kiệm đáng kể thời gian tính toán so với các thuật toán ước lượng hợp lẽ cực đại (MLEF), tạo điều kiện tối ưu để tích hợp vào các thiết bị siêu âm thời gian thực. Toàn bộ kịch bản mô phỏng và phân tích dữ liệu được hoàn thiện trong timeline nghiên cứu năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận ba phát hiện mang tính đột phá về khả năng tái tạo ảnh định lượng và kiểm soát sai số trong môi trường có nhiễu:

Thứ nhất, việc kết hợp bộ lọc LMS trước khi thực hiện thuật toán AHI mang lại hiệu quả vượt trội trong việc triệt tiêu nhiễu Gauss. Khi đánh giá trên toàn bộ vùng ảnh 75 nhân 75 mm, sai số chuẩn hóa của việc ước lượng độ đàn hồi đạt mức dưới 6,4%, trong khi sai số chuẩn hóa của độ nhớt đạt mức dưới 8,02%. Các giá trị này phản ánh độ tương đồng rất cao giữa bản đồ đàn nhớt ước lượng với mô hình lý tưởng ban đầu (độ đàn hồi nền 6.000 Pa, khối xơ 8.900 Pa; độ nhớt nền 1,2 Pa.s, khối xơ 2,7 Pa.s).

Thứ hai, nghiên cứu phát hiện sự phụ thuộc rõ rệt của độ chính xác ước lượng vào khoảng cách truyền sóng. Tại các vị trí cách nguồn kích thích vượt quá 80 mm, biên độ vận tốc hạt của sóng biến dạng bị suy giảm tự nhiên rất mạnh do tính chất tiêu tán năng lượng của mô mềm. Hiện tượng này làm tỷ số tín hiệu trên nhiễu giảm sút, dẫn đến sai số ước lượng tại các vùng xa tăng cao. Do đó, việc giới hạn khung ảnh tái tạo ở kích thước 75 nhân 75 mm là ngưỡng tối ưu giúp bảo toàn độ tin cậy chẩn đoán.

Thứ ba, nghiên cứu đã định lượng hóa cụ thể tác động tiêu cực của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng tại bề mặt ranh giới khối xơ gan. Khi có hiện tượng phản xạ xảy ra, sóng tới và sóng phản xạ giao thoa làm biến dạng phân bố vận tốc hạt đo được. Kết quả đánh giá chỉ ra rằng: sai số chuẩn hóa của độ đàn hồi khi có phản xạ tăng từ 0,0430 (4,30%) lên 0,0754 (7,54%), tương ứng mức tăng tuyệt đối 3,24%; trong khi sai số chuẩn hóa của độ nhớt tăng vọt từ 0,1412 (14,12%) lên 0,2695 (26,95%), tức mức tăng tuyệt đối lên tới 12,83%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm mô phỏng có thể được minh họa trực quan thông qua các đồ thị phân bố vận tốc hạt cắt ngang không gian theo đường Line 10 (vùng mô lành không qua u) và Line 40 (đường cắt xuyên tâm khối xơ gan). Dữ liệu biểu diễn dạng biểu đồ đường cho thấy rõ sau khi đi qua bộ lọc thích nghi LMS, các dao động ngẫu nhiên do nhiễu Gauss trên tín hiệu vận tốc hạt tại tọa độ (40, 40) đã được làm mượt hoàn hảo, bám sát dạng sóng hình sin chuẩn. Trên các bản đồ nhiệt 2D, khối xơ gan hình tròn bán kính 15 mm được tái tạo sắc nét về cả vị trí không gian, đường biên kích thước lẫn giá trị độ cứng 8.900 Pa và độ nhớt 2,7 Pa.s.

Nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng sai số mạnh ở tham số độ nhớt (tăng 12,83% khi có phản xạ) so với độ đàn hồi (chỉ tăng 3,24%) xuất phát từ bản chất toán học của mô hình Kelvin-Voigt trong thuật toán AHI. Độ nhớt $\eta$ được ước lượng thông qua phần ảo của số sóng phức và tỷ lệ nghịch trực tiếp với tần số góc dao động $\omega_0$. Do đó, hiện tượng giao thoa sóng phản xạ gây lệch pha cục bộ sẽ tác động trực tiếp và nặng nề hơn lên thành phần ảo so với thành phần thực đại diện cho độ đàn hồi $\mu$.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng bộ lọc tổ hợp hợp lẽ cực đại (MLEF) trong môi trường đồng nhất của nhóm tác giả Orescanin Marko hay các nghiên cứu mở rộng của tác giả Shigao Chen, phương pháp tiếp cận FDTD kết hợp LMS và AHI trong luận văn này thể hiện ưu thế vượt trội về mặt tài nguyên xử lý. Phương pháp AHI giải trực tiếp phương trình vi phân thay vì phải chạy các vòng lặp tối ưu hóa phi tuyến phức tạp của MLEF, giúp giảm thời gian tính toán xuống hàng chục lần, giải quyết bài toán nghẽn cổ chai trong việc xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra bốn đề xuất hành động cụ thể nhằm thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ vào thực tiễn y tế:

1. Tích hợp khối giải thuật LMS-AHI vào phần cứng máy siêu âm: Các kỹ sư R&D thiết bị y tế tại các doanh nghiệp công nghệ cần lập trình nhúng trực tiếp thuật toán lọc LMS và phép biến đổi AHI lên các chip xử lý tín hiệu số DSP hoặc FPGA chuyên dụng. Mục tiêu cần đạt là rút ngắn thời gian xử lý ảnh 2D xuống dưới 0,5 giây mỗi khung hình với mức sai số đàn hồi duy trì dưới 6,5%, hoàn thành triển khai trong lộ trình 12 đến 18 tháng.

2. Phát triển module thuật toán bù trừ sóng phản xạ đa hướng: Các nhóm nghiên cứu xử lý tín hiệu y sinh tại các trường đại học kỹ thuật cần nghiên cứu bổ sung thuật toán tách sóng phản xạ dựa trên biến đổi phân rã trường sóng (Wavefield Separation). Mục tiêu trọng tâm là giảm sai số chuẩn hóa độ nhớt trong môi trường có phản xạ từ mức 26,95% hiện tại xuống dưới ngưỡng 10%, thực hiện trong giai đoạn 2021 đến 2023.

3. Thực nghiệm kiểm chuẩn trên Phantom sinh học đa lớp: Các phòng thí nghiệm kỹ thuật y tế cần phối hợp với các bệnh viện chuyên khoa để chế tạo các mẫu mô phỏng sinh học (tissue-mimicking phantoms) có độ cứng đa dạng từ 2 kPa đến 20 kPa tương ứng các giai đoạn xơ gan F0 đến F4 theo thang Metavir. Thử nghiệm trên cỡ mẫu tối thiểu 200 lượt đo thực nghiệm để đánh giá độ lặp lại và độ bền vững của thuật toán trước năm 2024.

4. Chuẩn hóa quy trình chẩn đoán xơ gan không xâm lấn: Bộ Y tế và các hội đồng chuyên môn chẩn đoán hình ảnh cần xây dựng hướng dẫn kỹ thuật kết hợp siêu âm đàn hồi sóng biến dạng định lượng 2 tham số (độ cứng và độ nhớt) vào quy trình tầm soát bệnh gan mãn tính. Mục tiêu hướng tới là giảm từ 30% đến 40% các chỉ định sinh thiết gan không cần thiết trên toàn quốc trong giai đoạn 2023 đến 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và giải pháp kỹ thuật của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

1. Bác sĩ chẩn đoán hình ảnh và chuyên gia nội gan mật: Luận văn cung cấp cơ sở vật lý chuyên sâu về cơ chế hình thành sóng biến dạng, giúp bác sĩ hiểu rõ ý nghĩa định lượng của độ đàn hồi (kPa) và độ nhớt (Pa.s). Từ đó, bác sĩ có thể ứng dụng dữ liệu siêu âm đàn hồi để đánh giá chính xác các giai đoạn xơ gan từ F0 đến F4, phân biệt u lành tính và ác tính mà không cần lạm dụng sinh thiết xâm lấn gây đau cho bệnh nhân.

2. Kỹ sư kỹ thuật y sinh và lập trình viên xử lý ảnh y tế: Tài liệu là nguồn tham khảo chi tiết về thuật toán sai phân FDTD, giải thuật thích nghi LMS và kỹ thuật biến đổi ngược AHI. Đây là khung kiến trúc mẫu giúp các kỹ sư phát triển phần mềm xử lý tín hiệu trên các dòng máy siêu âm thế hệ mới.

3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực trong việc mô hình hóa toán học các bài toán truyền sóng trong môi trường sinh học không đồng nhất, xử lý nhiễu Gauss và đánh giá sai số định lượng trên phần mềm mô phỏng.

4. Nhà quản lý bệnh viện và các đơn vị cung ứng thiết bị y tế: Giúp các nhà quản lý nắm bắt xu hướng công nghệ tạo ảnh y học tiên tiến, làm cơ sở khoa học để thẩm định, lựa chọn và đầu tư các hệ thống máy siêu âm đàn hồi sóng biến dạng hiện đại phục vụ nâng cao chất lượng khám chữa bệnh.

Câu hỏi thường gặp

Siêu âm sóng biến dạng có điểm gì khác biệt so với siêu âm kiểu B truyền thống?
Siêu âm kiểu B truyền thống chỉ thể hiện cấu trúc hình thái học thông qua độ phản hồi âm xám của mô, khiến các khối u có cùng độ phản hồi rất khó phân biệt lành tính hay ác tính. Siêu âm sóng biến dạng bổ sung thông tin cơ học định lượng về độ đàn hồi (kPa) và độ nhớt (Pa.s), giúp đo lường trực tiếp độ cứng mô bệnh lý một cách khách quan.

Tại sao việc ước lượng đồng thời cả độ nhớt và độ đàn hồi lại quan trọng trong chẩn đoán xơ gan?
Mô mềm sinh học có tính chất đàn nhớt phức tạp, không chỉ thay đổi độ cứng mà còn thay đổi tính nhớt khi bị tổn thương cấu trúc ngoại bào. Ước lượng cả hai tham số theo mô hình Kelvin-Voigt giúp phản ánh toàn diện tình trạng biến đổi mô học qua từng giai đoạn F0 đến F4, nâng cao độ đặc hiệu trong chẩn đoán bệnh lý gan.

Bộ lọc thích nghi LMS giải quyết vấn đề gì trong bài toán tạo ảnh siêu âm?
Trong quá trình đo vận tốc hạt bằng chùm tia siêu âm Doppler, tín hiệu luôn bị pha tạp bởi nhiễu Gauss ngẫu nhiên làm biến dạng dạng sóng. Bộ lọc thích nghi LMS giúp ước lượng và triệt tiêu chính xác thành phần nhiễu này, hạ thấp sai số chuẩn hóa độ đàn hồi xuống dưới 6,4% và độ nhớt dưới 8,02% trước khi giải bài toán AHI.

Hiện tượng phản xạ sóng biến dạng tác động như thế nào đến độ chính xác của hình ảnh?
Khi sóng biến dạng gặp bề mặt phân cách giữa mô lành và khối xơ có trở kháng âm chênh lệch, sóng phản xạ sinh ra sẽ giao thoa với sóng tới làm thay đổi vận tốc hạt thực tế. Hệ quả là sai số chuẩn hóa độ đàn hồi tăng thêm 3,24% và sai số độ nhớt tăng mạnh thêm 12,83%, làm giảm độ phân giải biên khối u.

Thuật toán kết hợp FDTD-LMS-AHI có thể áp dụng cho việc tạo ảnh thời gian thực không?
Hoàn toàn khả thi. Khác với phương pháp ước lượng khả năng cực đại MLEF đòi hỏi lặp phi tuyến tốn kém bộ nhớ và thời gian, thuật toán AHI giải trực tiếp phương trình đại số Helmholtz trong miền tần số kết hợp bộ lọc LMS tối ưu, cho phép giảm thiểu khối lượng tính toán để tích hợp vào các chip DSP xử lý thời gian thực.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình tạo ảnh định lượng mô đun shear phức (CSM) 2D cho mô mềm sinh học thông qua việc tích hợp phương pháp FDTD, bộ lọc thích nghi LMS và biến đổi ngược đại số Helmholtz AHI.
• Kiểm chứng mô phỏng chứng minh bộ lọc LMS kiểm soát xuất sắc nhiễu Gauss, duy trì sai số chuẩn hóa độ đàn hồi dưới 6,4% và độ nhớt dưới 8,02% trên vùng ảnh tối ưu kích thước 75 nhân 75 mm.
• Khảo sát toàn diện và định lượng hóa ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng, chỉ rõ mức tăng sai số 3,24% ở độ đàn hồi và 12,83% ở độ nhớt do hiện tượng giao thoa trường sóng tại ranh giới khối xơ.
• Đóng góp giải pháp công nghệ có chi phí tính toán thấp, khắc phục hạn chế của các phương pháp tối ưu hóa lặp truyền thống, mở ra tiềm năng lớn cho các thiết bị siêu âm chẩn đoán y tế thời gian thực.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán trên mô hình 3D thực nghiệm và phantom đa tầng trong giai đoạn 2021-2023. Hãy liên hệ với các đơn vị nghiên cứu kỹ thuật y sinh chuyên sâu để chuyển giao và ứng dụng công nghệ tạo ảnh đàn nhớt tiên tiến này vào hệ thống thiết bị y tế lâm sàng ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG 1.1 Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán 1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm Định nghĩa sóng siêu âm: Là các sóng hình sin tạo bởi những rung động cơ học trong môi trường vật chất (có thể đàn hồi, thay đổi hình dạng được). Siêu âm truyền năng lượng cơ học cho môi trường nhưng không ion hóa nó. [4] Tần số siêu âm thường được sử dụng để chẩn đoán y tế là từ 2 đến 15 MHz. Sóng siêu âm có thể được tạo ra bởi vật liệu có hiệu ứng áp điện.

Siêu âm là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh sử dụng sóng siêu âm để chụp và nghiên cứu các cấu trúc bên trong cơ thể bệnh nhân. Phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm dựa trên những đặc điểm sau của sóng âm. Tốc độ truyền của sóng âm Tốc độ truyền của sóng âm phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền âm. Trong cơ thể, chính tính chất vật lý của mô quyết định tốc độ lan truyền của sóng âm qua nó.1 ta thấy tốc độ thay đổi đáng kể.

Các dụng cụ siêu âm trong y khoa thường lấy tốc độ trung bình ước định của sóng siêu âm trong các tổ chức phần mềm là 1.1 Tốc độ lan truyền của các mô thường gặp [2] Tốc độ lan truyền của sóng âm liên quan tới tần số và bước sóng qua phương trình (1.1) Trong đó: c là tốc độ truyền sóng âm (m/s) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11 𝑓 là tần số (Hz) 𝜆 là bước sóng (m) Tốc độ lan truyền là một giá trị đặc biệt quan trọng trong ứng dụng lâm sàng của siêu âm và mang tính quyết định để xác định khoảng cách từ đầu dò tới giao diện phản chiếu. Chính sự tính toán thời gian này giúp siêu âm thu thập thông tin. Một khi sóng siêu âm được truyền vào cơ thể, thời gian phản hồi được ghi nhận, có thể tính ra độ sâu của giao diện nơi tạo ra phản hồi (hình 1.2 Xác định độ sâu của của giao diện nơi tạo ra phản hồi[2] Độ chính xác của việc đo đạc này tùy thuộc vào sự chênh lệch nhiều hay ít giữa tốc độ ước định với tốc độ lan truyền thực sự của sóng âm trong mô khảo sát. Trở kháng âm Trở kháng âm (Z) là một đại lượng vật lý biểu thị cho khả năng cản trở của môi trường, chống lại không cho siêu âm xuyên qua, nó phụ thuộc vào mật độ và tốc độ truyền âm của môi trường theo phương trình (1.2) Trong đó: 𝜌 là mật độ của môi trường (kg/m3) 𝑐 là vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường (m/s) Z là trở kháng âm ( N·s/m³) Trở kháng âm trong môi trường có vai trò quyết định đối với biên độ của sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường.

Tại các giao diện giữa hai môi trường có độ chênh lệch lớn về trở kháng âm, ví dụ như giữa mô với khí hoặc với xương, năng lượng phản hồi gần như hoàn toàn, còn nếu độ khác biệt ít hơn, chỉ một phần năng lượng phản hồi, phần còn lại vẫn tiếp tục truyền qua. Tương tự tốc độ lan truyền, trở kháng âm lệ thuộc tính chất vật lý của mô mà sóng truyền qua. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiện tượng khúc xạ Một hiện tượng xảy ra khi sóng âm đi từ một mô này sang một mô khác mà tốc độ lan truyền trong môi trường sau cao hơn hoặc thấp hơn so với môi trường trước, đó là sự đổi chiều của hướng sóng tới.

Sự đổi chiều này gọi là khúc xạ tuân theo luật Snell: sin 𝜃𝑖 ⁄sin 𝜃𝑡 = 𝑐1⁄𝑐2 (1.3) Trong đó 𝜃𝑖 là góc tới, tạo bởi sóng tới tạo với giao diện, 𝜃𝑡 là góc khúc xạ, 𝑐1và 𝑐2 là tốc độ sóng âm lan truyền trong các mô tạo nên giao diện (hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ [2] d.Hiện tượng phản xạ Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng âm truyền truyền theo phương thẳng. Khi nguồn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có trở kháng âm khác nhau xảy ra hiện tượng phản xạ. Một phần năng lượng của chùm siêu âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai. Năng lượng phản xạ từ giao diện âm được xác định bằng hệ số phản xạ R.

Nếu chùm sóng tới thẳng góc với mặt phản xạ, năng lượng phản hồi được tính bằng phương trình (1.4) (𝑍2 + 𝑍1 )2 Trong đó Z2 và Z1 là trở kháng của các môi trường tạo nên giao diện. Hiện tượng tán xạ Hiện tượng tán xạ xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các bề mặt không đồng đều hoặc cấu trúc nhỏ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều bước sóng. Khi đó tia siêu âm bị phân tán theo các hướng khác nhau và chỉ có một phần nhỏ sóng phản hồi truyền tới được đầu dò. Hiện tượng tán xạ không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm và có vai trò quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tụy…).

Hiện tượng nhiễu xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 13 Hiện tượng nhiễu xạ: chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản. Hiện tượng này phụ thuộc vào bước sóng, khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra. Sự hấp thu của tổ chức và độ suy giảm của năng lượng tia siêu âm Khi sóng âm đi qua mô, nó sẽ mất năng lượng và biên độ của các sóng áp lực sẽ giảm dần khi sóng đi xa dần nguồn phát. Sự chuyển dịch năng lượng sang mô, cụ thể là nhiệt cùng với sự thất thoát năng lượng do phản hồi và khuếch tán đã tạo nên tình trạng giảm thấu.

Như vậy giảm thấu là hậu quả của tổng hợp các hiệu ứng hấp thu, tán sắc, nhiễu xạ và phản hồi. Độ giảm thấu lệ thuộc tần số của sóng tới cũng như bản chất của môi trường.5) Trong đó: 𝐼0 : là cường độ lúc ban đầu 𝐼𝑥 : Cường độ ở độ sâu X F: tần số sóng siêu âm X: Chiều dày của mô xuyên qua Sóng có tần số cao sẽ giảm thấu nhanh hơn sóng có tần số thấp và tần số của đầu dò là tiêu chuẩn quyết định độ sâu hữu ích mà siêu âm có thể thu nhập thông tin. Giảm thấu tác động lên hiệu quả xuyên thấu của sóng qua một mô nào đó (hình 1.4 Độ giảm thấu của các mô thường gặp [2] 1.2 Phương pháp tạo hình bằng siêu âm Đầu dò là thiết bị quan trọng trong siêu âm. Đầu dò phát chùm tia siêu âm vào trong cơ thể và thu nhận chùm tia siêu âm phản xạ.

Đầu dò siêu âm được chế tạo dựa trên nguyên lý áp điện. Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch: Khi nén và dãn tinh thể thạch anh theo một phương nhất định thì trên bề mặt của tinh thể theo phương vuông góc với lực kéo, dãn sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và một dòng điện được tạo thành, chiều của dòng điện thay đổi theo lực kéo hoặc dãn. Ngược lại khi cho một dòng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 14 điện xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần số dòng điện và tạo thành dao động cơ học. [3] Cấu tạo cơ bản của một đầu dò siêu âm (hình 1.5) + Đầu dò siêu âm gồm nhiều chấn tử.

Mỗi chấn tử gồm một tinh thể áp điện được nuôi bằng các chuỗi xung cao tần. Chiều dày của các tinh thể ảnh hưởng đến tần số đầu dò. Cứ sau mỗi xung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng phản hồi. Độ lặp lại của các chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán.

+ Đầu dò của máy siêu âm có nhiều dải tần số. + Các điện cực áp vào 2 mặt của tinh thể áp điện. + Lớp giảm rung để tạo ra một dao động tắt dần nhanh sau khi ngừng tác dụng xung điện. + Lớp đệm tăng cường khả năng truyền năng lượng xung siêu âm truyền ra ngoài (giảm sự hao tổn).5 Cấu tạo đầu dò1 Phân loại đầu dò: - Theo phương pháp quét: Các đầu dò điện tử, các đầu dò cơ khí.

- Theo hình dạng vùng quét: Đầu dò Linear, đầu dò Convex, đầu dò Sector như hình 1.net/dau-do-sieu-am-cau-tao-nguyen-ly-va-cach-lua-chon.html LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6 Ba loại đầu dò phổ biến 2 Đầu dò tuyến tính (Linear): Các chấn tử được xếp theo dạng thẳng, sóng âm được phát ra song song với nhau và tạo ra hình ảnh dạng hình chữ nhật. Lợi thế của dòng đầu dò này là cho ra hình ảnh siêu âm ở gần có độ phân giải cao. Vùng phủ sóng, tần số và các ứng dụng của đầu dò tuyến tính phụ thuộc vào việc sản phẩm dành cho hình ảnh 2D hay 3D. Đầu dò tuyến tính cho hình ảnh 2D có vùng phủ sóng rộng và tần số trung tâm của nó là 2,5Mhz - 12Mhz.

Sử dụng để khám mạch máu, tĩnh mạch, hình ảnh mạch máu, tuyến vú, tuyến giáp, phẫu thuật nội soi, mổ nội soi, đo độ dày của mỡ cơ thể và cơ bắp để kiểm tra chăm sóc sức khỏe hàng ngày và kiểm tra hội chứng đầu máy. Đầu dò tuyến tính cho hình ảnh 3D có vùng phủ sóng rộng hơn và tần số trung tâm 7,5Mhz - 11Mhz được sử dụng để đánh giá mô mềm và tuyến giáp. Nhược điểm của đầu dò Linear là mặt tiếp xúc rộng, do đó sẽ tạo ra hình ảnh không thật khi khảo sát ở những vùng góc cạnh, vì không khí chen vào chính giữa da và đầu dò.Ứng dụng: Siêu âm vùng bụng, sản phụ khoa, tuyến giáp, mạch gần bề mặt, nội soi phẫu thuật… Đầu dò lồi (Convex): Các chấn tử được xếp theo dạng cong cho phép có được hình ảnh với trường khảo sát rộng hơn và dạng quạt. Đầu dò lồi cho hình ảnh 2D có vùng phủ sóng tương đối rộng và tần số trung tâm của nó là 2,5 MHz - 7,5 MHz.

Đầu dò này được dùng khảo sát bụng, sản khoa, vùng chậu qua ngả bụng. Đầu dò lồi cho hình ảnh 3D có trường nhìn rộng và tần số trung tâm 3,5 MHz - 6,5 MHz, có thể sử dụng để kiểm tra bụng. Các loại đầu dò Convex kích thước nhỏ, tần số cao được ứng dụng trong thăm khám âm đạo và trực tràng. Đầu dò mảng pha (Sector - Phased Array): đặt tên theo sự sắp xếp tinh thể áp điện được gọi là mảng pha và nó là kiểu tinh thể được sử dụng phổ biến nhất.