Tính chất cơ học của mô về độ đàn hồi và độ nhớt sẽ cung cấp cho chúng ta thông tin hữu ích có thể sử dụng trong chuẩn đoán y học, đặc biệt là trong việc phát triển khối u. Các tham số này có thể được ước tính bằng việc đo vận tốc sóng đàn hồi được tạo bởi một kim rung sử dụng một tần số nhất định. Ở môi trường không đồng nhất, sai phân hữu hạn trong miền thời gian FDTD là phương pháp hiệu quả để trình bày về sóng đàn hồi. Sau đó, độ đàn hồi và độ nhớt sẽ được ước lượng bằng cách sử dụng thuật toán AHI. Luận văn giải quyết vấn đề ước lượng tính toán các tham số nói trên để tạo hình ảnh trong môi trường 2D bằng việc sử dụng kết hợp phương pháp FDTD và thuật toán AHI.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ
- -NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU TẠO ẢNH SIÊU ÂM ĐÀN HỒI SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG DÙNG
FDTD
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHÊ KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - VIỄN THÔNG
HÀ NỘI – 2018
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHÊ
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
- -NGHIÊN CỨU TẠO ẢNH SIÊU ÂM ĐÀN HỒI SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG DÙNG
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, căn bệnh ung thư đã cướp đi nhiều sinh mạngcủa rất nhiều người trên thế giới Việt Nam là quốc gia nằm trong vùng dịch tễ
có tỷ lệ viêm gan cao nên có tỷ lệ ung thư gan cao.Theo báo cáo của WHO vàonăm 2016,Việt Nam đứng thứ hai trên bản đồ ung thư thế giới, mỗi ngày cókhoảng 315 người chết vì ung thư [2] Trong đóung thư gan là căn bệnh phổbiến nhất Ước tính trung bình mỗi năm cả nước có trên 10.000 ca ung thư ganmới phát hiện chiếm tỷ lệ cao nhất thế giới.Ở các quốc gia đang phát triển nhưnước ta, bệnh thường được chẩn đoán ở giai đoạn cuối nên biện pháp điều trịcao hất là ghép gan cũng không đạt hiệu quả cao vì khi đó ung thư đã xuất hiệntại các tạng khác, có khả năng lây lan vào gan mới ghép, tỷ lệ sống sót sau 5năm chưa đến 10% Trong khi đó nếu bệnh nhân ung thư gan được phát hiện ởgiai đoạn đầu nếu được phẫu thuật triệt để hoặc ghép gan sẽ mang lại kết quảtốt Vì vậy việc phát hiện, chuẩn đoán ung thư sớm là vấn đề cần được quantâm
Để có thể giúp người bệnh phát hiện sớm các u lạ trong cơ thể, hiện nay
y học thường sử dụng phương pháp chụp ảnh siêu âm Tuy nhiên, gan là một bộphận nằm sâu bên trong cơ thể, rất khó để xác định Các phương pháp như X-Ray, MRI hay chụp PET hay phẫu thuật sinh thiết tuy cho kết quả tốt nhưng lạitốn kém về chi phí và thời gian, ngoài ra còn có những ảnh hưởng không tốtđến cơ thể Vì vậy, việc sử dụng kỹ thuật sóng biến dạng đàn hồi là một trongnhững phương pháp hiệu quả được đưa ra trong việc chuẩn đoán sớm ung thư
Luận văn được trình bày trong ba chương Chương 1 trình bày tổng
quan về lý thuyết siêu âm, cấu tạo, nguyên tắt hoạt động của máy siêu âm, kỹ
thuật tạo ảnh siêu âm Chương 2 trình bày kĩ thuật tạo ảnh đàn hồi, cơ sở ước lượng các tham số độ đàn hồi và độ nhớt Chương 3 thực hiện mô phỏng lan
truyền sóng sử dụng mô hình FDTD, ước lượng các tham số độ đàn hồi và độnhớt của mô bằng thuật toán đảo ngược đại số AHI từ đó tạo ảnh đàn hồi trongmôi trường 2D qua mô phỏng MATLAB
Luận văn đã thành công trong việc ước lượng độ đàn hồi và độ nhớt của
mô bằng phương pháp FDTD sử dụng thuật toán đảo ngược đại số Helmholtz(AHI), từ đó dựng ảnh khối u trong môi trường 2D
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Xuất phát từ những ý nghĩa thực tế của việc phát hiện sớm ung thư giúpngười bệnh có thể chữa khỏi, giảm tỉ lệ tử vong vì căn bệnh này, luận văn là kếtquả của quá trình nghiên cứu lý luận và thực tiễn của cá nhân tác giả dựa trên
sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của PGS.TS Trần Đức Tân Thầy đã khôngquản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này Tôi xingửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Tân Được thầy hướng dẫn là mộtvinh hạnh lớn của cá nhân tác giả, bởi lẽ thầy là một nhà giáo trẻ, mẫu mực, say
mê nghiên cứu khoa học, là người có phương pháp nghiên cứu, có nhiều đónggóp cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và bạn bè trong lớpK23 chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đạihọc Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luậnvăn này của tôi
Luận văn được hỗ trợ một phần từ đề tài mã số CA.17.6A do trung tâm
Hỗ trợ Nghiên cứu châu Á tài trợ
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, cơ quan tôi đang côngtác, những người đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu Gia đình làđộng lực cho tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động viên tôihoàn thành luận văn này
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìmhiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy hướng dẫn, thầy côtrong bộ môn, trong khoa và các bạn bè Tôi không sao chép các tài liệu haycác công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm
Nguyễn Mạnh Cường
Trang 6MỤC LỤ C
LỜI NÓI ĐẦU 1
LỜI CẢM ƠN 2
LỜI CAM ĐOAN 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH 6
DANH MỤC BẢNG 7
CHƯƠNG I 8
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 8
1.1 T Ô ̉ NG QUAN VỀ SIÊU ÂM 8
1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA SÓNG SIÊU ÂM 9
1.3 M ÁY SIÊU ÂM 10
1.4 CÁC LOẠI KỸ THUẬT SIÊU ÂM (MODE SIÊU ÂM) 13
1.5 K Ỹ THUẬT TẠO ẢNH SIÊU ÂM 14
CHƯƠNG II 16
CÁC KỸ THUẬT TẠO ẢNH ĐÀN HỒI 16
2.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TẠO ẢNH SIÊU ÂM ĐÀN HỒI 16
2.1.1 Siêu âm đàn hồi tĩnh 16
2.1.2 Siêu âm đàn hồi động 19
2.2 C Ơ SỞ ƯỚC LƯỢNG 23
2.2.1 Giới thiệu 23
2.2.2 Complex Shear Modulus – Modul sóng trượt phức 24
2.2.3 Phương trình truyền sóng biến dạng 25
2.2.4 Ước lượng các tham số CSM dựa trên mô hình Kelvin-Voigt 25
CHƯƠNG III 27
TẠO ẢNH ĐÀN HỒI SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG 27
3.1 GIỚI THIỆU 27
3.2 B IỂU DIỄN LAN TRUYỀN SÓNG BẰNG FDTD 27
3.3 ÁP DỤNG THUẬT TOÁN AHI ĐỂ ƯỚC LƯỢNG CSM 30
3.4 K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG 31
KẾT LUẬN 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
FDTD Sai phân hữu hạn trên miền thời
Trang 81.1 Một ca siêu âm ổ bụng 81.2 Cấu tạo máy siêu âm bên ngoài (Máy siêu âm DC-70 Mindray) 11
2.1 Hình ảnh khác biệt giữa khối u và môi trường xung quanh 172.2 Sơ đồ thực nghiệm tạo và đo sóng biến dạng 233.1 Vận tốc sóng trong không gian sử dụng phương trình sóng 293.2 Vận tốc sóng trong không gian sử dụng FDTD 293.3 Vận tốc sóng theo thời gian ở điểm thứ 2 và 17 32
3.5 Ước lượng độ đàn hồi với các tần số khác nhau 343.6 Ước lượng độ nhớt với các tần số khác nhau 343.7 Sai số khi ước lượng độ đàn hồi với các tần số khác nhau 353.8 Sai số khi ước lượng độ nhớt với các tần số khác nhau 36
Trang 9CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT1.1 Tổng quan về siêu âm
Siêu âm (Ultrasound/Sonography) – là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnhkhông xâm lấn được áp dụng phổ biến trong y tế Phương pháp tạo ảnh này sửdụng sóng siêu âm (sóng âm có tần số cao) để xây dựng và tái tạo hình ảnh vềcác cấu trúc bên trong của cơ thể Những hình ảnh thu được cung cấp thông tinhữu ích trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh Do hình ảnh siêu âm được ghinhận theo thời gian thực nên nó có thể cho thấy hình ảnh về cấu trúc và sựchuyển động của các bộ phận bên trong cơ thể người kể cả hình ảnh dòng máuđang chảy trong các mạch máu [5]
Hình 1.1 Một ca siêu âm ổ bụng1
+ Mục đích của siêu âm?
- Khảo sát các bộ phận, cơ quan trong cơ thể người như : siêu âm ổ bụng tổngquát, sản khoa, tim mạch, phụ khoa, tiết niệu, tiền liệt tuyến, tuyến giáp, tuyến
vú, các bộ phận nhỏ, cơ xương khớp, tinh hoàn …
1 1 http://sieuam.phongkhambaoanh.com/sieu-am-bung-tong-quat-phat-hien-duoc-benh-gi/
Trang 10- Siêu âm dẫn đường cho sinh thiết và hỗ trợ các kỹ thuật y học khác trong việcchuẩn đoán xác định ung thư.
+ Nguyên lý hoạt động của siêu âm.
Siêu âm dựa trên nền tảng là nguyên lý định vị bằng sóng siêu âm(sonar)-một kỹ thuật dùng để phát hiện các vật thể dưới nước[27] Trong khisiêu âm, bác sỹ sử dụng đầu dò (transducer) tỳ sát lên da, đầu dò có chức năngvừa phát vừa thu sóng siêu âm
Khi siêu âm, các tinh thể bên trong đầu dò phát ra các sóng siêu âmtruyền vào bên trong cơ thể Các mô, xương và chất lỏng trong cơ thể có đặctính của môi trường ( đặc trưng bởi mật độ khối của môi trường và độ đàn hồi)khác nhau, sóng âm sẽ được hấp thụ một phần hoặc truyền qua - một phần phản
xạ lại sóng âm và quay ngược trở lại đầu dò Đầu dò thu nhận sóng âm phảnhồi, gửi các thông tin này tới bộ xử lý, sau khi phân tích các tín hiệu phản hồibằng các phần mềm và thuật toán xử lý ảnh, kết hợp các thông tin để xây dựng
và tái tạo thành hình ảnh siêu âm mà chúng ta nhìn thấy trên màn hình
1.2 Đặc điểm của sóng siêu âm
Cơ chế phát sóng âm: Sóng âm được tạo ra do chuyển đổi năng lượng
từ điện thành dạng sóng phát ra từ các đầu dò, có cấu trúc cơ bản là gốm ápđiện (piezo-electric)[5] Sóng âmkhi truyền qua chân không sẽ không có hiệntượng rung vì vậy nó chỉ truyền qua vật chất
Một trong những đặc điểm cơ bản nhất là tần số sóng âm phụ thuộc vàobản chất của vật Tùy vào từng môi trường mà có độ rung khác nhau Đơn vị đotần số là Hertz, tức là số dao động trong một giây
- Bản chất của Siêu âm : là các sóng âm dao động có tần số > 20.000Hz(20kHz) Trong lĩnh vực Y tế người ta dùng sóng âm có tần số từ 2 MHz đến 20MHz
Tính chất của sóng siêu âm:
+ Tính chất suy giảm và hấp thu:
Trong môi trường có cấu trúc đồng nhất, sóng âm lan truyền và bị mấtnăng lượng dần gọi là suy giảm Sự suy giảm này tuân theo luật nghịch đảo củabình phương khoảng cách Khi đi qua môi trường, sóng siêu âm bị môi trườnghấp thụ nên cường độ của nó sẽ giảm dần Tuy nhiên sự mất năng lượng trong
Trang 11siêu âm không giống bức xạ tia X, vì ở đây còn có hiệu ứng quang từ hoặc hiệuứng Compton Vận tốc truyền sóng âm phụ thuộc vào độ cứng và tỷ trọng củamôi trường vật chất xuyên qua, trong cơ thể người: mỡ 1450; nước 1480; mômềm 1540; xương 4100 m/s [15].
+ Tính chất phản xạ hay phản hồi:
Trong môi trường có cấu trúc không đồng nhất, một phần sóng âm sẽphản hồi ở mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng âm tạo nên âm dội hay âmvang (echo), phần còn lại sẽ lan truyền theo hướng của chùm sóng âm phát ra.Đặc điểm của siêu âm là khi đi qua mặt ngăn cách giữa hai môi trường khácnhau, sóng âm bị phản xạ rất mạnh Như vậy, ở đường ranh giới giữa hai môitrường có trở kháng âm (acoustic impedance Z) khác nhau tùy thuộc cấu trúccủa vật chất đặc biệt là số nguyên tử Sóng phản hồi sẽ thu nhận bởi đầu dò, sau
đó được xử lý trong máy và truyền ảnh lên màn hình (display), hoặc ghi lại trênphim, giấy in hoặc trên băng đĩa từ Tất nhiên các sóng phản hồi không đượcthu nhận bởi đầu dò sẽ bị biến mất theo luật suy giảm
+ Sự khúc xạ, nhiễu âm:
Khi chùm sóng đi qua mặt phẳng phân cách với một góc nhỏ, chùm âmphát ra sẽ bị thụt lùi một khoảng so với chùm âm tới còn gọi là nhiễu âm.Chính điều này sẽ tạo ra ảnh giả
1.3 Máy siêu âm
1.3.1 Phân loại máy siêu âm
Máy siêu âm được chia thành nhiều loại khác nhau tùy vào hình dáng,công nghệ hay phạm vi ứng dụng…
Phân loại theo hình dạng cấu trúc : máy siêu âm xe đẩy có thể di
chuyển, máy siêu âm để bàn, máy siêu âm cầm tay
Phân loại theo công nghệ : Máy siêu âm đen trắng, máy siêu âm màu,
máy siêu âm Doppler, máy siêu âm 3D/4D
Phân loại theo phạm vi ứng dụng : Máy siêu âm tim mạch, máy siêu
âm tổng quát, máy siêu âm sản/phụ khoa…
1.3.2 Cấu tạo máy siêu âm
Các bộ phận của máy siêu âm bao gồm :
- Đầu dò : Được sử dụng để phát và thu nhận tín hiệu sóng siêu âm.
- Hệ thống xử lý tín hiệu (phần cứng + phần mềm): Dùng cho việc xử lý
các tín hiệu thu được từ đầu dò, tái tạo hình ảnh và hiển thị lên màn hình
Trang 12- Hệ thống nhập liệu, tương tác : Hệ thống này bao gồm bàn phím chức
năng và trackball (hoặc màn hình cảm ứng - nếu có), sử dụng để nhập liệu bệnhnhân, lựa chọn thông số, chuyển đổi đầu dò…
- Màn hình :Được sử dụng để hiển thị hình ảnh siêu âm sau khi xử lý
(một số dòng siêu âm cao cấp có thêm màn hình cảm ứng để tăng tốc độ và khảnăng tương tác trong quá trình siêu âm)
- Máy in : Dùng để in kết quả siêu âm (sử dụng máy in nhiệt hoặc máy
in thông thường qua máy tính)
Hình 1.2 Cấu tạo máy siêu âm bên ngoài (Máy siêu âm DC-70 Mindray)2
Đầu dò siêu âm.
Đầu dò (Transducer - Probe)[6]: làm nhiệm vụ vừa phát vừa thu sóng âmphản hồi Nó bao gồm một hoặc nhiều miếng gốm áp điện (piezo-eletric), khi
có dòng điện xoay chiều tần số cao kích thích vào miếng gốm này làm cho nó
co giãn và phát ra xung siêu âm Ngược lại khi miếng áp điện rung lên do sóng
2http://thanhanmed.com/cau-tao-cua-may-sieu-am/
Trang 13siêu âm dội trở về sẽ tạo ra một xung động Sóng siêu âm lan truyền vào các
mô trong cơ thể, gặp các mặt phẳng sẽ gặp các sóng âm dội trở về Mỗi âm dội
mà đầu dò thu nhận được sẽ chuyển thành tín hiệu điện, từ tín hiệu này sẽ được
xử lý và chuyển thành tín hiệu trên màn hình, và tất cả chùm sóng âm quét tạonên hình ảnh siêu âm
Tùy vào chức năng và tần số khảo sát, hãng sản xuất, các loại đầu dò cóhình dạng và kích thước khác nhau Các đầu dò quét được nhờ một hệ thống cơkhí hay điện tử, với chùm thăm dò theo hình chữ nhật hay rẻ quạt
+ Đầu dò quét cơ học:
Trong đầu dò có bộ chuyển động được gắn với tinh thể gốm áp điện hoặcmột tấm gương phản âm Chức năng của bộ này giống như một bộ đèn pha quétánh sáng chùm đơn, chuyển động nhờ một bánh xe hoặc một chuyển động kế.Các dao động sóng sẽ phản chiếu nhờ tấm gương
+ Đầu dò quét điện tử:
Các tinh thể gốm áp điện được xếp thành một dãy theo chiều ngang(tuyến tính), được mở ra một cửa sổ (aperture) nhỏ lớn phụ thuộc vào số lượngtinh thể, chiều rộng của chùm sóng âm khi phát ra
Hình 1.3 Đầu dò siêu âm3
Một số loại đầu dò phổ biến như đầu dò Convex (dò tổng quát), đầu dòLinear (khảo sát phần nông), đầu dò tim (khảo sát tim mạch), đầu dò âm đạo(sản phụ khoa)… Đa số các siêu âm được thực hiện với đầu dò bên ngoài da,
3http://thanhanmedical.com.vn/dau-do-may-sieu-am/
Trang 14một số loại siêu âm thực hiện bên trong cơ thể (invasive ultrasound) Trongtrường hợp này,đầu dò được gắn vào một que đo và được đưa vào bên trongbằng các con đường mở tự nhiên Một số siêu âm thuộc loại này bao gồm :
– Transesophageal echocardiogram (siêu âm tim qua thực quản): đầu dòđược đưa vào bên trong thực quản để thu các hình ảnh của tim
– Transrectal ultrasound (siêu âm qua trực tràng): đầu dò được đưa vàobên trong hậu môn để quan sát trực tràng, tuyến tiền liệt
– Transvaginal ultrasound (siêu âm qua âm đạo): đầu dò được đưa vàobên trong âm đạo để quan sát tử cung & buồng trứng
1.4 Các loại kỹ thuật siêu âm (mode siêu âm).
Siêu âm kiểu A (Amplitude): Ghi lại sóng phản hồi bằng những xung
nhọn, mà vị trí tương ứng với chiều sâu và biên đô tỷ lệ thuận với cường độ của
âm vang (echo) Biên độ xung tín hiệu được xác định bởi cường độ của xungsiêu âm phản xạ và vị trí của nó được xác định bởi thời gian mà xung siêu âm
đã lan truyền[1] Kiểu A ít có giá trị về chẩn đoán mà thường dùng để kiểm tra
sự chính xác của máy siêu âm
Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D): Mỗi sóng xung kiểu A đều được ghi
lại bằng một chấm sáng nhiều hay ít tùy theo cường độ của âm dội Sự dichuyển của đầu dò trên da bệnh nhân cho phép ghi lại cấu trúc âm của các môtrong cơ thể nằm trên mặt phẳng quét của chùm tia, đây là phương pháp siêu
âm cắt lớp (Echotomography) Trong kiểu quét tự động bằng máy, tốc độ quétkhá nhanh do đó hình ảnh thu được là một hình ảnh động và tức thời Hình ảnhcác lớp cắt sẽ nối tiếp nhau nhanh chóng, nhờ hiện tượng lưu ảnh võng mạcnên ta nhìn thấy ảnh liên tục, không tách rời từng lớp
Siêu âm kiểu Động (Dynamic): Là một kiểu hai chiều với tốc độ quét
nhanh, tạo nên hình ảnh theo thời gian thực (real time) Kiểu Động so với kiểu
B được ví nhưquay phim so với chụp ảnh
Siêu âm kiểu M (TM - Time Motion): Trong kiểu siêu âm này âm vang
sẽ ghi lại theo kiểu A, nhưng chuyển động theo thời gian nhờ màn hình quétngang thường xuyên Do đó những cấu trúc đứng yên trên màn hình là mộtđường thẳng, còn những cấu trúc chuyển động là một đường cong ngoằn nghèotùy theo sự chuyển động của cơ quan thăm khám[5] Siêu âm kiểu này thườngdùng để khám tim
Trang 15Siêu âm kiểu Doppler (Động): Dùng hiệu ứng Doppler của siêu âm để
đo tốc độ tuần hoàn, xác định hướng của dòng máu và đánh giá lưu lượng máu
Có 3 loại Doppler: Doppler liên tục, Doppler xung, Doppler màu, người tathường phối hợp hệ thống Doppler với siêu âm cắt lớp theo thời gian thật gọi làsiêu âm DUPLEX Ngày nay người ta còn mã hóa các dòng chảy của siêu âmchính là siêu âm động-màu, siêu âm Doppler năng lượng (Power Doppler), siêu
âm tổ chức (tissue doppler) và siêu âm chiều rất tiện cho việc thăm khám mạch, sản khoa
tim-Siêu âm kiểu 3D Trong những năm gần đây siêu âm 3D đã được ứng
dụng rất rộng rãi, chủ yếu ở lĩnh vực sản khoa Hiện nay có 2 loại siêu âm 3D,
đó là loại tái tạo lại hình ảnh nhờ các phương pháp dựng hình máy tính và mộtloại được gọi là 3D thực sự (Live 3D, 3D real time, 4D) Siêu âm 3D do mộtđầu dò có cấu trúc khá lớn, mà trong đó người ta bố trí các chấn tử nhiều hơntheo hình ma trận, phối hợp với phương pháp quét hình theo chiều không giannhiều mặt cắt, các mặt cắt theo kiểu 2D này được máy tính lưu giữ lại và dựngthành hình theo không gian 3 chiều Ngày nay có một số máy siêu âm thế hệmới đã có siêu âm 3 chiều cho cả tim mạch, tuy nhiên ứng dụng của chúng cònhạn chế do kỹ thuật tương đối phức tạp và đặc biệt là giá thành cao
1.5.Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm
Siêu âm (ultrasound) là một phương pháp khảo sát hình ảnh học bằngcách cho một phần của cơ thể tiếp xúc với sóng âm có tần số cao để tạo ra hìnhảnh bên trong cơ thể[6] Do hình ảnh siêu âm được ghi nhận theo thời gian thựcnên nó có thểcho thấy hình ảnh cấu trúc và sự chuyển động của các bộ phậnbên trong cơ thể kể cả hình ảnh dòng máu đang chảy trong các mạch máu Tạoảnh siêu âm không chỉ an toàn về bức xạ ion mà còn cho hiệu quả về mặt chiphí giá thành
Kỹ thuật tạo ảnh âm thanh đã được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứngdụng từ rất sớm khi mà có sự phát triển của sonar vào khoảng 1910 Một trongnhững ứng dụng to lớn nhất trên cơ sở sử dụng nguyên lý kỹ thuật sonar là tạoảnh Bmode, một ứng dụng trong tạo ảnh y tế Ảnh B-mode là kết quả của sựthay đổi trong hàm cản trở âm thanh, cái mà thay đổi trong các môi trường khácnhau “Độ phân giải không gian” trên bậc của một bước sóng có thể thu đượcbằng sử dụng các mảng (arrays) và tập trung cao vào các phần tử chuyển đổiđơn (“độ phân giải không gian” là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vật phản xạ
mà chúng có thể phân biệt rõ tín hiệu dội trên màn hiển thị Độ phân giải khônggian được chia thành độ phân giải ngang, độ phân giải dọc trục và slice
Trang 16thickness) Mặc dù chất lượng hình ảnh có thể xấu đi do sự sai lệch pha và biên
độ, nhưng hình ảnh tạo thành là đơn giản và tin cậy Tuy nhiên, do tính chất tựnhiên của nó mà chuẩn đoán y tế sử dụng tạo ảnh B-mode thông thường là chủquan và phụ thuộc vào chuyên môn và kinh nghiệm của người điểu khiển Kỹthuật tạo ảnh B-mode còn mắc một nhược điểm lớn đó là chất lượng hình ảnhcòn hạn chế, không thể phát hiện được các khối u nhỏ hơn bước sóng
Ưu nhược điểm
Trong y học ngày nay, chẩn đoán bệnh bằng hình ảnh là một công cụ đắclực giúp cho các bác sỹ trong việc phát hiện sớm để điều trị bệnh Siêu âm làmột phương pháp chuẩn đoán bệnh được sử dụng phổ biến với các ưu điểm nổitrội so với các phương pháp khác như CT, MRI, X - quang, do tính an toàn vìkhông sử dụng các phóng xạ ion hóa, không sử dụng từ trường mạnh (từ trườngmạnh có thể tác động tới các vật kim loại trong cơ thể), thực hiện đơn giản, giáthành lại tương đối rẻ so với các phương pháp nêu trên Tuy nhiên, sóng siêu
âm bị cản trở bởi hơi hoặc không khí do đó siêu âm không phải là phương tiệnchẩn đoán hình ảnh lý tưởng cho ruột (tạng rỗng) và những cơ quan bị ruột chekhuất hoặc khi muốn khảo sát về dạ dày, ruột non, ruột già Sóng âm khó xuyênthấu được xương và do đó chỉ có thể nhìn thấy được mặt ngoài của các cấu trúcxương chứ không nhìn được những gì nằm bên trong Vì vậy, ta có thể kết hợpcác phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác nhằm tăng cao độ chính xác
Trang 17CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT TẠO ẢNH ĐÀN HỒI2.1 Tổng quan về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm đàn hồi
Siêu âm đàn hồi là việc sử dụng áp lực để rời chỗ mô và sau đó theo dõichuyển động gây ra trong mô Ảnh đàn hồi được đặc trưng bởi một số bướcchung, trong đó các mô được nhấn cơ học bởi lực bên ngoài hoặc bên trongbằng nhiều phương pháp khác nhau Sự dời mô bởi các lực này được đo thôngqua các thiết bị nhạy pha như siêu âm, chụp ảnh cộng hưởng từ MRI hoặcOCT… bằng cách ước tính chuyển dịch hoặc vận tốc chuyển dịch mô Trongtrường hợp tạo ảnh siêu âm, ta có thể sử dụng phương thức băng rộng để thuthập chuỗi dữ liệu theo thời gian và phương pháp tương quan chéo để ướclượng khoảng cách giữa các âm dội về
Có hai phương pháp đo độ đàn hồi chính đó là quasistatic (còn được gọi
là "static, tĩnh") và dynamic[15] Staticđược dùng khi mô phản ứng với một sựđè ấn chậm duy nhất dùng để đo độ cứng mô Dynamic được dùng khi môphản ứng với sự đè ấn nhanh hoặc rung động đây chính là kỹ thuật siêu âm đànhồi sử dụng sóng biến dạng
2.1.1 Siêu âm đàn hồi tĩnh
Hiện nay siêu âm đàn hồi tĩnh là hình thức phổ biến đểtạo ảnh đàn hồi.Trong phương pháp này, một đè ấn duy nhất, rất nhỏ được áp dụng (thường íthơn 0,5 mm), bằng cách ấn bằng chính đầu dò siêu âm, và dời chỗ mô được đo
ở mỗi độ sâu hoặc khoảng cách từ đầu dò bằng cách sử dụng hàm tương quanchéo Mức độ thay đổi trong khoảng dời chỗ mô là một hàm của khoảng cách
từ đầu dò được gọi là "mô căng" và sẽ được hiển thị như là một hình ảnh Vớivật liệu mềm, mức độ thay đổi trong sự dời chỗ lớn với các vật chất gầnvới đầu dò, và xa đầu dò thì dời chỗ ít nhất Ở vật liệu rất cứng, chẳng hạn nhưtrong một khối thép, áp lực làm toàn bộ khối để di chuyển được một đơn vị vớiphần xa đầu dò chuyển động giống như phần gần với đầu dò Vì vậy, tỷ lệ thayđổi trong sự dời chỗ từ rìa gần của khối với rìa xa là gần bằng zero Vì vậy, vậtliệu cứng cho thấy các giá trị căng rất thấp và vật liệu mềm có giá trị căng lớnhơn Trên elastogram, các giá trị căng thấp thường được hiển thị như dark (tối),trong khi các giá trị lớn được hiển thị bright (sáng) Khối u thường cứng hơnmôi trường xung quanh nên hiểu hiện là một khối tối nhúng trong một nền sáng
Trang 18hơn Trên máy với màn hình màu, các giá trị căng thấp thường được hiển thịnhư green (xanh lá cây) hoặc blue (xanh dương) và các giá trị biến dạng lớn,
là yellow(vàng) hay red (đỏ)
Hình 2.1 Hình ảnh khác biệt giữa khôi u và môi trường xung quanhBản đồ đàn hồi [elastogram] là hình của độ cứng tương đối vì số lượng
áp lực do ấn đầu dò sẽ thay đổi số lượng mô dời chỗ và thay đổi mức độ trong
sự dời chỗ Về lý thuyết có thể tính một cách đo độ cứng khách quan hơn đượcgọi là độ đàn hồi Young (Young’s modulus) từ các giá trị căng, nhưng để làmmột ước tính đáng tin cậy, cần phải biết đè ấn bao nhiêu và sự dời chỗ đã ápdụng và điều kiện gì hiện có ở ranh giới mô Phương trình tương quan giữa độ
đàn hồi Young (E) và vận tốc sóng biến dạng là: E = nV2 , trong đó n là một
hằng số tỉ lệ nghịch liên quan đến tỷ lệ Poisson có giá trị vào khoảng 3 cho hầuhết các mô Thu thập thông tin này vô cùng khó khăn và do đó, tái tạo lại môđun đàn hồi trong lâm sàng không thực hiện được
Tạo ảnh siêu âm đàn hồi tĩnh đã được áp dụng cho nhiều cơ quan khácnhau và trong bệnh học Ứng dụng đầu tiên là phân biệt u vú lành tính và ác
Trang 19tính, và breast elastography là dạng siêu âm đàn hồi vẫn còn được thực hànhrộng rãi nhất hiện nay Để có một elastogram vú, bệnh nhân nằm ngửa và mô
vú được nén bằng đầu dò vào thành ngực Ban đầu đè ấn do máy tính kiểmsoát, sau được thay thế bằng kỹ thuật ấn tự do (free hand technique), thực hiện
dễ dàng trong khám siêu âm vú kiểm tra; đè ấn thường cũng đủ Bình thườngchuyển động thở của bệnh nhân cũng đủ chống lại áp lực của transducer để cóđược một elastogram chất lượng tốt Bởi vì có rất nhiều vùng tương đối tốikhông có ý nghĩa lâm sàng có thể xuất hiện trên elastogram, elastogram luônluôn được xem cùng với hình siêu âm từ chính vị trí tương tự; hoặc elastogramchồng lên hình siêu âm như một lớp phủ màu Thủ thuật này giúp so sánh mộttổn thương trên siêu âm với biểu hiện đàn hồi của nó
Thêm vào việc phân biệt khối rắn lành tính và ác tính, breastelastography đã tỏ ra hữu ích để chẩn đoán trong tổn thương nang, thường giảdạng như khối u đặc Khi chất lỏng được nén, các hạt nằm rải rác trong nó dichuyển ngẫu nhiên hơn các tán xạ trong mô đặc, gây ra xảo ảnh trênelastogram, làm dễ chẩn đoán là nang có cặn Thật không may, loại chính xáccủa artifact gây ra phụ thuộc vào cách phần mềm xử lý mất tương quan xảy rabên trong nang, vì không có biểu hiện tiêu chuẩn áp dụng cho tất cả các máysiêu âm Với thời gian, người dùng phải làm quen với biểu hiện của nang trêncác máy mà họ sử dụng
Elastograms thường được sử dụng để đánh giá một khối lành tính hay ác
tính trên siêu âm Hai tính năng hữu ích nhất trong việc phân biệt là độ cứng
tương đối của tổn thương và kích thước của các tổn thương trên elastogram so
với hình siêu âm Ung thư có xu hướng cứng (tối hơn) nhiều hơn so với các môxung quanh, trong khi tổn thương lành tính có xu hướng có độ cứng tương tựnhư mô xung quanh Một tổn thương lành tính thấy rõ trên siêu âm có thể gầnnhư vô hình trên elastogram Bởi vì ung thư thường liên quan đến mô xungquanh, tạo ra một viền dày có echo, elastogram sẽ thường xuyên hiển thị tổn
thương lớn hơn đáng kể so với hình siêu âm Với hai tính năng này, hầu hết các
nghiên cứu đã thông báo cáo các đường cong ROC trong phạm vi 0,90-0,95,với ý nghĩa có hiệu suất tốt Thay vì chẩn đoán ung thư, elastography thườngđược dùng để tăng sự chắc chắn về lâm sàng một tổn thương có vẻ lành tính, cónghĩa là tránh được sinh thiết, chỉ cần theo dõi Theo thống kê, có khoảng 15%tổn thương có thể tránh làm sinh thiết mà không làm tăng tỷ lệ ung thư bị bỏqua
Trang 20Một số yếu tố có thể làm cho hình bị nhiễu hoặc gây hiểu lầm Đè ấn đầu
dò quá mức làm cứng mô xung quanh, và làm cho ung thư không khác so với
mô xung quanh Quá nhiều áp lực cũng gây ra chuyển động sang bên [sidewaysmovement] của khối u, gây nhiễu và xảo ảnh trong elastogram, làm khó diễngiải hơn Quá nhiều hoặc quá ít chuyển động đầu dò khi đè ấn có thể làm chophương pháp tương quan (cross-correlation method) để phát hiện mô dời chỗthất bại, gây ra xảo ảnh và gây hiểu nhầm các vùng "tối" Hầu hết các nhà sảnxuất có đặt một chỉ số chất lượng hình (quality indicator) trên elastogram để hỗtrợ người sử dụng trong việc lựa chọn những hình ảnh đúng để giải thích Chỉ
số chất lượng, có thể được hiển thị như một giá trị số hoặc là một thanh màu, đểước tính chính xác giá trị căng trong hình elastogram Một số nhà sản xuất sẽ
"xám hoá" các hình ảnh không có giá trị để ngăn việc sử dụng trong chẩn đoán.Các phương pháp đánh giá hình elastogram có chất lượng vẫn còn rất thay đổi
và hầu hết chưa được chứng minh về lâm sàng
Do đó cần thực hành nhiều để khám và giải thích elastogram Thiếu huấnluyện đầy đủ có thể là nguyên nhân của một số báo cáo về hiệu suất kém củađơn vị elastography lâm sàng Chưa có một hệ thống huấn luyện tiêu chuẩnhóa, nhưng sẽ rất hữu ích cho việc cải thiện tính hữu dụng của elastography
Với sự phát triển của các máy thương mại, tạo ảnh siêu âm đàn hồi tĩnh
đã được thử nghiệm ở nhiều cơ quan với nhiều thành quả Hạch bạch huyết,nhân tuyến giáp và ung thư tuyến tiền liệt đã được chẩn đoán thành công vớitạo hình đàn hồi Hình căng của mảng xơ vữa và thành mạch được tạo ra nhờ
sử dụng mạch đập tự nhiên của các mạch máu thay vì dùng áp lực trực tiếp Nỗlực đánh giá độ căng có tính định lượng bằng cách sử dụng chỉ số căng trongmột tổn thương với sự căng trong mô liền kề giúp chẩn đoán tổn thương, nhưngchưa có sự đồng thuận thực sự trên chỉ số sử dụng hoặc giá trị nào đại diện chongưỡng chẩn đoán Những cải tiến hơn nữa trong cả chất lượng hình ảnh vàđịnh lượng có thể dự kiến được
2.1.2 Siêu âm đàn hồi động
Thông thường, phương pháp tạo ảnh đàn hồi động có thể được chia thành
2 loại tùy theo phương pháp kích thích đó là kích thích bên ngoài hoặc bêntrong Kích thích bên ngoài được thực hiện với rung động được tạo ra ở ranhgiới bên ngoài cơ thể Trong khi đó, kích thích bên trong gây ra bởi rung độnggây ra bên trong vật thể, ví dụ bức xạ, lực từ hoặc thông qua năng lượng cơ học
Trang 21của rung động được kết hợp thông qua một kim được chèn vào mô trong cơ thểcon người.
Phương pháp kích thích nội
Có một số phương pháp tiếp cận kích thích sóng nội Dời chỗ vật liệutrong vật thể có thể được tạo ra bằng bộ rung sử dụng kim hoặc que thủytinh[6] được sử dụng để ước lượng CMS trong cơ thịt bò bằng phương pháp tạoảnh sử dụng sóng biến dạng Vận tốc sóng biến dạng dọc theo cơ bò lớn hơnsóng khi cắt qua cơ bò khi thực hiện ước lượng CMS theo cả hai hướng
Trong nghiên cứu khác để ước lượng tính chất đàn hồi nhớt của xơ hóagan trong mô hình động vật [28] sử dụng bộ điều khiển kim cho thấy, độ cứngcủa mô gan tăng lên một cách có hệ thống với mức độ xơ hóa gan Cách tiếpcận xâm lấn này tạo sự dịch chuyển trong tần số 10-500 Hz Tuy nghiênphương pháp này bị giới hạn bởi giới hạn của chuyển động cơ học khi kim cóthể bị trượt ở tần số rung cao hơn
Một số khác sử dụng phương pháp lực bức xạ cổ điển, hoặc bằng cáchdịch chuyển vật tán xạ lớn hoặc các vật liệu tán xạ yếu như mô Cả hai phươngpháp đều dựa trên việc truyền động lượng từ xung nén thông qua sự tán xạ hoặctương tác hấp thụ giữa sóng và mô [10,21]
Một phương pháp tương tự được thực hiện [9] đã ước tính được tính chấtnhớt của của các gelatin phantoms trong dải tần số lên đến 1kHz Các phươngpháp này có thể được sử dụng để ước tính các tính chất của vật liệu có CSMtrung bình xung quanh khối Phương pháp này cung cấp thông tin trung bình vềkhông gian xung quanh đối tượng bị dịch chuyển
ARFI (acoustic radiation force impulse imaging ) [13] sử dụng siêu âmtập trung để thực hiện lực bức xạ cục bộ trong mô, nơi mà xung lượng sóngđược truyền qua sự suy giảm Kết quả của sự dịch chuyển mô được ánh xạbằng phương pháp dựa trên tương quan siêu âm Sự dịch chuyển mô tỉ lệnghịch với độ cứng của mô , trong đó một vùng mô cứng thể hiện sự dịchchuyển ít hơn so với vùng mô mềm hơn Đây là đánh giá định tính về độ đànhồi Một số phương pháp khác dựa trên phương pháp tiếp cận ARFI đã đượcphát triển và một số trong đó đã được thực hiện lâm sàng Kĩ thuật dựa trênARFI [8] được đặt tên là siêu âm cắt hình ảnh SSI ( supersonic shear imaging ),
đã được thực hiện trong các hệ thống lâm sàng Cách tiếp cận là tạo ra sóngbiến dạng bán phẳng sử dụng kích thích lực bức xạ liên tiếp, kết quả được thuqua máy quét siêu âm siêu nhanh (5000frame/s) Từ đó họ có thể cung cấpđược modul đàn hồi của vật liệu Gần đây họ đã đề xuất mở rộng phương pháp
Trang 22để phát triển quang phổ sóng biến dạng , có thể tái tạo đặc tính đàn hồi nhớt củavật liệu từ ROI.
Khả năng tạo sóng biến dạng cục bộ cung cấp khả năng ước lượng tínhchất tính chất của vật liệu tốt hơn so với phương pháp ngoài Có vài lý do choviệc này Các mô nằm sâu bên trong cơ thể có thể được tạo ảnh trên băng thônglớn hơn của sóng biến dạng kích thích ngoại trong điều kiện thực tế có tần sốthấp hơn 100 Hz Hơn nữa, việc truyền sóng cục bộ cho phép ước lượng chínhxác các tính chất của vật liệu so với kích thích bên ngoài, nơi các đặc tính sóng
có thể bị thay đổi đáng kể do môi trường truyền sóng
Giới hạn của phương pháp kích thích nội phụ thuộc vào phương phápthực hiện Thách thức của việc áp dụng phương pháp này là việc tạo ra đủ lựcbức xạ để dời chỗ các mô nằm sâu trong phạm vi rộng của độ cứng, tính chấtxâm lấn của kim rung , việc theo dõi dịch chuyển mô nhỏ
2.1.2.2 Phương pháp ngoại
Phương pháp ngoại kích thích sóng biến dạng là đặc trưng của kĩ thuậttạo ảnh dựa trên cộng hưởng từ MRI được gọi là MRE (Magnetic ResonanceElasography) Kĩ thuật tạo ảnh sử dụng sóng biến dạng dựa trên bộ rung ngoàitrong dải tần 10-1000Hz Thuộc tính sóng trong miền không gian, thời gianđược ghi lại.Các thành phần của vecto vận tốc được thu thập trong các giaiđoạn của tín hiệu kích thích Thuộc tính đàn hồi nhớt của vật liệu thu đượcbằng cách đảo ngược phương trình sóng Phương pháp này được sử dụng để táitạo đặc tính đàn hồi nhớt của vật liệu
Phương pháp đảo ngược trực tiếp được sử dụng rộng rãi trong phươngpháp MRI, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong việc mô tả đặc tính môcủa vật liệu Nghiên cứu [12] đã sử dụng sóng biến dạng để nghiên cứu độcứng của não và thấy rằng chất trắng ước tính cứng hơn chất xám Sóng cơ họctần số thấp được sử dụng [18] để nghiên cứu tính chất đàn hồi nhớt của các tổnthương vú trong cơ thể Dựa trên mẫu của 15 bệnh nhân, có thể phân biệt đượcgiữa tổn thương lành tính và tổn thương ác tính dựa trên độ tương phản trongmodul đàn hồi Theo ước tính, modul đàn hồi của mô ác tính lớn gấp ba lầnmodul đàn hồi của u xơ hoặc mô vú xung quanh Mặt khác, độ nhớt động đượctái tạo cho thấy không có sự khác biệt tương phản giữa các loại mô khác nhau
Nghiên cứu lâm sàng [20] xác định giá trị của MRE cùng với tăngcường tương phản MRI cho thấy kết hợp MRE và MRI làm tăng hiệu suất
Trang 23chuẩn đoán Theo nghiên cứu[26], sóng biến dạng tần số 85 Hz được sử dụngnhằm ước lượng đặc tính đàn hồi nhớt của các khối u gan Phân tích thống kêthực hiện trên các giá trị độ đàn hồi nhớt để phân biệt gan bình thường, xơ gan,khối u lành tính, ác tính Họ phát hiện khối u gan ác tính có độ cứng trung bìnhcao hơn đáng kể so với khối u lành tính, gan bị xơ hóa và mô gan bình thường.Gan bị xơ có giá trị chồng chéo trong khu vực u lành tính và ác tính.
Một trong những hạn chế của phương pháp kích thích ngoài để kích thíchsóng biến dạng đó là giới hạn kĩ thuật của tần số thấp Theo đó, độ suy giảmcao của sóng biến dạng làm giảm khả năng truyền đến các cơ quan ở xa bề mặt
cơ thể Thêm vào đó, thời gian thu thập dài của MRI giới hạn thu thập sóng đơn
< 100 Hz Thời gian thu 3D của MRI không được áp dụng cho chuẩn đoán lâmsàng, hầu hết các nghiên cứu sử dụng 1D hoặc 2D để giảm thời gian thu
Phương pháp tạo ảnh đàn hồi động sửu dụng kích thích ngoài cũng được
sử dụng trong siêu âm Nghiên cứu về truyền sóng biến dạng trong gelatin và
cơ của thịt bò và cho thấy phương pháp này có thể ước lượng được thuộc tínhđàn hồi nhớt của mô Họ sử dụng phương pháp đảo ngược trực tiếp 1D với tần
số sóng biến dạng 50-500Hz, sử dụng máy dò siêu âm để phát hiện chuyểnđộng mô nhanh được gây ra bởi sóng biến dạng tần số thấp
Mặc dù tạo ảnh siêu âm đàn hồi tĩnh đã được rộng rãi triển khai thực hiện
và áp dụng cho các cơ quan nông, phương pháp này khó sử dụng sâu trong cơthể, và chất lượng hình ảnh đã không được chứng minh là có giá trị trong pháthiện bệnh cơ quan lan toả, như chai gan Do đó cần sử dụng đến phương phápsiêu âm đàn hồi động dùng sóng biến dạng tác động ngoại Đây cũng là nộidung chủ yếu của chương III