Nghiên cứu phát triển một số giải thuật nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp luận án TS kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông 625202

Mục đích nghiên cứuXây dựng và phát triển các phương pháp, mô hình, giải thuật và công cụ nhằm nhằm tăng tốc việc lấy mẫu, nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng kỹ thuật kế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Quang Huy

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI THUẬT

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH

SIÊU ÂM CẮT LỚP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 62520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ

THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI - 2019

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Quang Huy

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ GIẢI THUẬT

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH

SIÊU ÂM CẮT LỚP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 62520203

Người hướng dẫn: PGS TS Trần Đức Tân

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT

ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả được trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn PGS TS Trần Đức Tân Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả được sử dụng

để tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.

Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2019

Tác giả

Trần Quang Huy

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống, Khoa Điện tử Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã hoàn thành bản luận án này.

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Đức Tân,

người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận án Tôi cũng xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu.

Tôi xin chân thành cảm ơn cơ sở đào tạo là Phòng Đào tạo, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thiện chương trình đào tạo Tôi cũng xin cảm

ơn đơn vị chủ quản là Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện cho phép tôi được tham gia học tập và nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và cổ vũ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Nghiên cứu sinh

Trần Quang Huy

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

positron

Born

thiểu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ảnh chụp u lành khi siêu âm ngực

Hình 1.2 Minh họa cấu hình hệ đo sử dụng hiệu ứng tán xạ Việc bố trí máy phát/thu sẽ cho dữ liệu gián tiếp về đối tượng, áp dụng kỹ thuật tái tạo sẽ thu được

là ảnh thể hiện phân bố tốc độ truyền sóng, từ đó nhận diện được đối tượng Hình 1.3 Mặt cắt dọc hàm mục tiêu lý tưởng (đường nét liền) và hàm khôi phục (đường nét đứt) sử dụng phương pháp xấp xỉ Born bậc 1 Hàm mục tiêu lý tưởng

là hình trụ tròn có bán kính 5λ và các giá trịλ và các giá trị là (a) 0.25λ và các giá trịπ, (b) 0.5λ và các giá trịπ, (c) π và (d) 2π

Hình 1.4 Đồ thị so sánh lỗi chuẩn hóa của phương pháp kết hợp Interpolation-DBIM và phương pháp DBIM truyền thống

BIM-Hình 1.5λ và các giá trị Mặt cắt dọc hàm mục tiêu lý tưởng (hình trụ tròn có bán kính 2λ,

Hình 1.6 Cấu hình đo đều: Các máy phát (hình sao) và máy thu (hình chữ nhật)

bố trí cách đều nhau trên hệ đo

Hình 1.7 Cấu hình đo ngẫu nhiên: Các máy phát (hình sao) bố trí cách đều nhau trên hệ đo và các máy thu (hình chữ nhật) bố trí ngẫu nhiên trên hệ đo

Hình 1.8 Kết quả khôi phục sử dụng phương pháp DBIM: (a) ảnh khôi phục kích thước 6×6 sau 1 vòng lặp; ảnh khôi phục kích thước 12×12 sau 1 vòng lặp

sử dụng kỹ thuật nội suy từ kết quả ở (a); (c) ảnh khôi phục kích thước 12×12 sau 1 vòng lặp không sử dụng kỹ thuật nội suy; (d) và (e) lần lượt là ảnh khôi phục kích thước 12×12 sau 4 vòng lặp không sử dụng và có sử dụng kỹ thuật nội suy

Hình 1.9 Kết quả khôi phục sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số: (a) Hàm mục tiêu

lý tưởng, (b) Ảnh khôi phục sử dụng tần số 2 MHz, (c) Ảnh khôi phục sử dụng tần số 1 MHz, (d) Ảnh khôi phục sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số

Hình 1.10 Lỗi chuẩn hóa của phương pháp BIM với phép đo đều (uniform) và BIM kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu nén (CS)

Hình 1.11 Ảnh khôi phục vú sử dụng kỹ thuật siêu âm cắt lớp

Hình 2.1 Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh siêu âm cắt lớp

Hình 2.2 Mô hình phương pháp lặp vi phân Born (DBIM)

Hình 2.3 Cấu hình hệ đo

Hình 2.4 So sánh dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm

Hình 2.5λ và các giá trị So sánh dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm, sử dụng bộ lọc trung bình Hình 3.1 Hàm mục tiêu lý tưởng (N = 22)

Hình 3.2 Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tương ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 1

Hình 3.3 Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tương ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 2

Hình 3.4 Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tương ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 3

Hình 3.5λ và các giá trị Lỗi chuẩn hóa của giải thuật DF-DBIM qua các vòng lặp tương ứng với các giá trị khác nhau trong kịch bản 4

Hình 3.6 Kết quả khôi phục của các giải pháp khác nhau ở các vòng lặp từ 1 đến 4

Hình 3.7 Kết quả khôi phục của các giải pháp khác nhau ở các vòng lặp từ 5λ và các giá trị đến 8

Hình 3.8 Mặt cắt dọc hàm lý tưởng và hàm khôi phục DF–DBIM và DBIM sau vòng lặp (Kịch bản 3)

Hình 3.9 So sánh lỗi của DF – DBIM và DBIM sau

Hình 3.10 So sánh lỗi của DF – DBIM và DBIM sau

4)

vòng lặp (Kịch bản 3) vòng lặp (Kịch bản

Hình 3.11 Mặt cắt dọc hàm lý tưởng và hàm khôi phục DF–DBIM và DBIM

Hình 3.12 Sơ đồ đề xuất quy trình giải thuật DF-DBIM

Hình 4.1 Quy trình thực thi của phương pháp truyền thống

Hình 4.2 Quy trình thực thi của phương pháp đề xuất

Hình 4.6 Cấu hình đo đề xuất: Vị trí các máy phát được bố trí cách đều nhau và

16)

Hình 4.8 So sánh hiệu suất khôi phục thành công của phương pháp truyền thống và phương pháp đề xuất

Hình 4.9 So sánh lỗi chuẩn hóa của phương pháp truyền thống (484 phép đo)

và phương pháp đề xuất (25λ và các giá trị6 phép đo)

Hình 4.10 So sánh lỗi chuẩn hóa của phương pháp truyền thống (900 phép đo)

và phương pháp đề xuất (400 phép đo)

Hình 4.11 So sánh lỗi chuẩn hóa của phương pháp CS-DBIM và DCS-DBIM với các tỷ số nén khác nhau

Hình 4.12 Kết quả khôi phục của phương pháp DBIM và DCS-DBIM ở các

Hình 4.13 Kết quả khôi phục của phương pháp DBIM và DCS-DBIM ở các

vòng lặp từ 5λ và các giá trị đến 8 trong trường hợp Nt = Nr = 16, r = 0.5λ và các giá trị81

Hình 4.14 Biểu đồ quy trình tạo ảnh của phương pháp DCS-DBIM đề xuất

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tốc độ sóng âm trong các cơ quan khác nhau

Bảng 3.1 Tham số mô phỏng của các kịch bản

Bảng 3.2 Mối liên hệ giữa số phép đo và số biến trong các kịch bản

Bảng 3.3 Lỗi ở các kịch bản tương ứng với mỗi giá trị sau tổng số 8 vòng lặp

Bảng 4.1 Lỗi chuẩn hóa và thời gian tạo ảnh của phương pháp DBIM và

Bảng 4.2 Thời gian tạo ảnh của phương pháp DBIM và DCS-DBIM sau 8 vòng lặp với số phép đo khác nhau

Bảng 4.3 Lỗi chuẩn hóa của phương pháp DBIM và DCS-DBIM sau 8 vòng lặp với số phép đo khác nhau

DANH MỤC GIẢI THUẬT

Giải thuật 2.1 Phương pháp lặp vi phân Born – DBIM

Giải thuật 3.1 Phương pháp DF-DBIM đề xuất

Giải thuật 3.2 Khảo sát sự phụ thuộc hiệu suất khôi phục vào

Giải thuật 4.1 Phương pháp DBIM kết hợp kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên (DCS-DBIM)

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

tương tác của các điểm ảnh đến máy thu

Ma trận với các hệ số là hàm Green biểu thị sự tương tác giữa các điểm ảnh

Toán tử biến véctơ thành ma trận đường chéo

được và tín hiệu tán xạ tiên đoán

̅ Véctơ giá trị đo ngẫu nhiên

Sai số ngưỡng thềm Chuỗi ánh xạ lôgistic Tham số điều khiển

Tỉ số nén

Tổng số vòng lặp trong phương pháp DCS-DBIM

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 1

3 Mục đích nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5λ và các giá trị Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2

6 Cấu trúc luận án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Tổng quan về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp 5λ và các giá trị 1.2.1 Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia 7

1.2.2 Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ 9

1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan đến phương pháp DBIM 12

1.4 Định hướng nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP 26

2.1 Cơ sở lý thuyết về siêu âm cắt lớp 26

2.2 Phương pháp lặp vi phân Born – DBIM 28

2.3 Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng phương pháp DBIM 36

2.4 Kết luận chương 2 39

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN KẾT HỢP TẦN SỐ DÙNG TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP 40

3.1 Cơ sở lý thuyết 40

3.2 Phương pháp luận 41

3.3 Mô phỏng và kết quả 46

3.3.1 Tìm giá trị tốt nhất 46

3.3.2 Mô phỏng DBIM và DF-DBIM 5λ và các giá trị1

3.4 Kết luận chương 3 5λ và các giá trị7

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN LẤY MẪU NÉN DÙNG TRONG TẠO ẢNH

SIÊU ÂM CẮT LỚP 60

4.1 Cơ sở lý thuyết 60

4.2 Kỹ thuật lấy mẫu nén ngẫu nhiên 61

4.3 Kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên 62

4.4 Phương pháp lặp vi phân Born kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên 64

4.5λ và các giá trị Mô phỏng số 68

4.5λ và các giá trị.1 Đánh giá hiệu suất của phương pháp DCS-DBIM và DBIM 70

4.5λ và các giá trị.2 Đánh giá hiệu suất của phương pháp DCS-DBIM và CS-DBIM 78

4.6 Kết luận chương 4 83

KẾT LUẬN 86

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 107

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ảnh siêu âm đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán bởi những ưu điểm như không xâm hại, giá rẻ, có tính chất thời gian thực … Tuy nhiên, kỹ thuật tạo ảnh phổ biến hiện nay dùng để phát hiện khối u (đối tượng tĩnh) sử dụng thông tin phản hồi của sóng siêu âm khi gặp vật thể (ví dụ B- mode) chỉ cho phép hiển thị định tính cấu trúc và chỉ xác định được u kích

thước đủ lớn Trong khi đó, kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng thông

tin tán xạ (dùng DBIM) cho phép hiển thị định lượng cấu trúc, phát hiện được u kích thước nhỏ, và có nhiều tiềm năng ứng dụng (ví dụ phát hiện sớm ung thư vú) Tuy nhiên, phương pháp DBIM có độ phức tạp tính toán cao dẫn đến thời gian tạo ảnh lâu Đó là lí do cho đến nay số lượng các thiết bị tạo ảnh siêu âm cắt lớp được thương mại hóa rất hạn chế.

Luận án tập trung nghiên cứu phát triển một số thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến (kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên) nhằm nâng cao tốc độ và chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp.

2 Đối tượng nghiên cứu

Sự thay đổi tốc độ truyền âm khi gặp môi trường không đồng nhất (tức

là khi có u lạ), kỹ thuật tạo ảnh dựa trên sự tán xạ ngược.

Phương pháp lặp vi phân Born (DBIM).

Kỹ thuật xử lí tín hiệu tiên tiến (kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên) kết hợp với phương pháp DBIM.

1

3 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng và phát triển các phương pháp, mô hình, giải thuật và công

cụ nhằm nhằm tăng tốc việc lấy mẫu, nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén giả ngẫu nhiên.

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực hiện đề tài là nghiên cứu lý thuyết (các giải thuật xử

lý tín hiệu) áp dụng cho ảnh siêu âm cắt lớp kết hợp với mô phỏng số Trong luận án, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để xây dựng mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp (phương pháp DBIM) và phương pháp này đã được kiểm chứng dựa trên dữ liệu thực nghiệm Từ đó, nghiên cứu sinh tiếp tục phát triển mô hình mô phỏng của phương pháp DBIM bằng việc sử dụng một số giải thuật tiên tiến ứng dụng trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp Ta biết rằng, một trong các giải pháp để xây dựng ảnh 3D được tạo bởi

từ các ảnh 2D Bởi vậy trong luận án, nghiên cứu sinh giới hạn nghiên cứu ở việc tạo ảnh lát cắt 2D với mục đích để nâng cao chất lượng của lát cắt 2D này, để từ đó có thể tạo được ảnh 3D có chất lượng tốt.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Việc xây dựng và phát triển các phương pháp, mô hình, giải thuật và công cụ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý tín hiệu và tạo ảnh y-sinh có ý nghĩa khoa học tốt vì những kết quả nếu thành công sẽ là đóng góp mới trong tạo ảnh y – sinh nói chung và tạo ảnh siêu âm cắt lớp nói riêng Những nghiên cứu lý thuyết của đề tài thực hiện theo định hướng có thể hiện thực hóa được trên các máy tạo siêu âm cắt lớp thế hệ sau.

6 Cấu trúc luận án

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp

Chương 3: Thuật toán kết hợp tần số dùng cho tạo ảnh siêu âm cắt lớp

Chương 4: Thuật toán lấy mẫu nén dùng cho tạo ảnh siêu âm cắt lớp Kết luận và kiến nghị

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trên thế giới mỗi năm có khoảng 1,4 triệu người mới mắc bệnh ung thư vú và 45λ và các giá trị8.000 người tử vong [1] Ở Việt Nam, mỗi năm có khoảng 7.000 người mới mắc bệnh, trong đó tỷ lệ tử vong khoảng 35λ và các giá trị%, cao hơn các nước phát triển, bệnh có xu hướng trẻ hóa và tăng dần qua các năm Vì vậy, các công trình nghiên cứu về các thiết bị nhằm phát hiện sớm căn bệnh ung thư

vú là rất cần thiết và mang tính thời sự ở Việt Nam cũng như trên thế giới.

Ung thư vú nếu được phát hiện và điều trị sớm thì tỷ lệ chữa khỏi bệnh đạt tới 90% và chất lượng sống của bệnh nhân được tăng lên rõ rệt Do đó, kỹ thuật tạo ảnh của khối u lạ khi còn nhỏ (tức là đường kính của khối u nhỏ hơn 5λ và các giá trịmm) là rất cần thiết Kỹ thuật chụp X–quang tuyến vú (mammography) được sử dụng rộng rãi để tìm kiếm ung thư vú ở phụ nữ hậu mãn kinh Tuy nhiên, đối với những phụ nữ dưới 5λ và các giá trị0 tuổi thì kỹ thuật X–quang tuyến vú bị hạn chế bởi vì các mô vú ở phụ nữ là dày đặc [67] Các mô dày đặc không cung cấp được sự thay đổi tốc độ truyền âm cần thiết để tạo được ảnh của khối u nhỏ Trong khi đó, kỹ thuật siêu âm cắt lớp (ultrasound tomography) lại thực hiện được điều này Nó là một kỹ thuật thay thế cho kỹ thuật X- quang tuyến vú trong chẩn đoán ung thư vú Vì vậy, các công trình nghiên cứu để nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp sẽ tạo điều kiện thuận lợi

để áp dụng vào thực tiễn y sinh.

Kỹ thuật siêu âm cắt lớp là một lĩnh vực rất mới trên thế giới, nó có rất nhiều tiềm năng phát triển, bởi vì nó có khả năng phát hiện được các u lạ có kích thước nhỏ, dựa trên kỹ thuật tán xạ ngược [5λ và các giá trị9] Các công trình nghiên cứu hiện nay về lĩnh vực này thường tập trung nghiên cứu về Phương pháp lặp Born (BIM) và Phương pháp lặp vi phân Born cải tiến (DBIM) [5λ và các giá trị] Vì

vậy, nghiên cứu sinh tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình tạo ảnh siêu

âm cắt lớp sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén Nghiên cứu sinh đã ban đầu đưa ra hướng nghiên cứu sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên trong kỹ thuật lấy mẫu nén, là bước tiến quan trọng trong việc đưa kỹ thuật lấy mẫu nén thực thi được trên phần cứng của máy chụp ảnh siêu âm cắt lớp Những nội dung nghiên cứu nếu thành công sẽ cho phép hoàn thiện cả lý thuyết lẫn thực tế trong ứng dụng chụp ảnh siêu âm cắt lớp.

Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp có ưu điểm an toàn, không xâm lấn, rẻ tiền, có tính chất thời gian thực và nó rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên, thì kỹ thuật này vẫn còn một

số hạn chế như ảnh siêu âm có độ phân giải thấp; tốc độ tạo ảnh còn chậm; độ chính xác chưa cao; còn ảnh hưởng bởi nhiễu; độ phức tạp tính toán còn lớn,

tại Cụ thể:

+ Độ phân giải thấp, ảnh hưởng bởi nhiễu được cải tiến bằng cách sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số đề xuất.

bằng cách sử dụng kỹ thuật lấy mẫu nén đề xuất.

Có thể thấy rằng, những kỹ thuật xử lí tín hiệu tiên tiến này, nếu được

áp dụng trong việc khôi phục ảnh siêu âm thực tế thì sẽ cải thiện đáng kể chất lượng siêu âm cắt lớp hiện tại, tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi trong y khoa.

1.2 Tổng quan về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp

Công nghệ tạo ảnh y sinh đã và đang làm thay đổi mạnh mẽ trong lĩnh vực chẩn đoán lâm sàng Sự phát triển bùng nổ của phương tiện truyền thông

số và công nghệ thông tin đem lại các phương pháp rất thông minh và tinh vi

5

trong quá trình chẩn đoán và điều trị [100] Vào năm 1885λ và các giá trị, Wilhelm Roentgen phát hiện ra tia X-ray, kể từ đó, công nghệ tạo ảnh y sinh ra đời Hơn một trăm năm qua, sự phát triển của công nghệ tiên tiến, bắt nguồn từ X- ray đến MRI, CT, PET, SPECT, siêu âm … đã tạo ra những thay đổi lớn trong lĩnh vực y học lâm sàng Hiệu quả của các công cụ tạo ảnh không xâm lấn phát triển nhanh chóng cùng với những tiến bộ trong khoa học máy tính.

Phương pháp tạo ảnh y-sinh là phương pháp tạo ảnh các bộ phận của người hay động vật, … để thu thập dữ liệu về các mô, cấu trúc hay đặc điểm

về các mô, xương hoặc thậm chí là cả đặc điểm sinh lí học bằng cách tiêm các chất đặc biệt vào trong cơ thể người [66] Hiện nay có rất nhiều phương pháp tạo ảnh y sinh như đã đề cập ở trên, định hướng nghiên cứu của đề tài là tạo ảnh siêu âm vì nó là một trong những phương pháp tạo ảnh y-sinh phổ biến nhất và đại diện cho chuẩn vàng trong việc kiểm tra chẩn đoán quan trọng chẳng hạn như sản phụ khoa và tim học.

Kỹ thuật tạo ảnh sử dụng sóng âm, đã được ứng dụng rộng rãi, từ khi

có sự phát triển của kỹ thuật sonar vào năm 1910 Một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất, dựa trên nguyên lí sonar là kỹ thuật tạo ảnh B- mode [14] Kỹ thuật này được ứng dụng để chẩn đoán không phá hủy và tạo ảnh y học Hình 1.1 minh họa một ảnh chụp kiểu B-mode phát hiện ra một u lành khi siêu âm ngực Ảnh B-mode biểu diễn định tính sự thay đổi hàm trở kháng âm, từ đó chúng ta có thể phân biệt được các môi trường khác nhau.

Độ phân giải không gian của ảnh có thể thu được bằng việc sử dụng đầu dò dạng mảng [10] và các đầu dò một phần tử có độ hội tụ cao [32] Mặc dù chất lượng ảnh có thể bị xấu đi do sự sai lệch về biên độ và pha [72], nhưng quá trình tạo ảnh B-mode đơn giản và đáng tin cậy Tuy nhiên, do bản chất định tính của ảnh B-mode, nên việc chẩn đoán y khoa sử dụng ảnh này thường mang tính chủ quan và phụ thuộc vào chuyên môn của chuyên gia chẩn đoán.

Hình 1.1 Ảnh chụp u lành khi siêu âm ngực [38]

Cách tiếp cận ban đầu để thu thập thông tin định lượng là từ ảnh mode Trong nhiều năm qua, sự phân tích kết cấu ảnh đã được khai thác bằng cách sử dụng một số kỹ thuật, như các tham số bậc 1 và 2 (trị trung bình, độ lệch chuẩn, entropy, tham số loạt dài (run-length parameters)) [28], [85λ và các giá trị], [99], tham số đại diện thống kê đường bao [71], [98], và phân tích sóng con [11], [37] Tuy nhiên, các tham số định lượng này không độc lập với hệ thống tạo ảnh, do đó các giải pháp này có những thành công nhất định và chúng không còn được sử dụng trên các thiết bị y sinh hiện nay.

B-Kỹ thuật siêu âm định lượng (ở đây chính là siêu âm cắt lớp) được biết đến là sẽ cho nhiều thông tin hữu ích/định lượng hơn so với ảnh B-mode [5λ và các giá trị4].

Có hai hướng nghiên cứu chủ yếu về kỹ thuật này: Kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia và Kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ.

1.2.1 Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia:

Các hệ thống tạo ảnh thực nghiệm mà ở đó sử dụng lý thuyết chiếu tia

để xây dựng các lát cắt về tốc độ âm và độ suy hao âm từ các mô đã được xây dựng được vài thập kỉ Một số hệ thống đã được xây dựng vào cuối những năm 1970 và đầu năm 1980 để thu thập các lát cắt về âm học chẩn đoán ở vú

7

phụ nữ [30], [41], [42], [70] Một ví dụ của hệ thống tạo ảnh hiện có là CURE, được phát triển bởi Viện Ung thư Karmanos [61] Cả hai kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng giải pháp chiếu tia thẳng [60] và hiệu chỉnh khúc xạ [16] đã được thực hiện trong hệ thống này Hệ thống CURE biểu thị ảnh về tốc độ âm, độ suy hao và độ phản xạ Một ví dụ khác là hệ thống HUTT, được phát triển bởi các nhà nghiên cứu của Trường Đại học Nam California [44], [45λ và các giá trị], [46] Hệ thống này sử dụng kỹ thuật cắt lớp dựa vào giải pháp chiếu tia để khôi phục ảnh nhằm biểu thị hệ số suy hao ở các tần số khác nhau Các phương pháp tổng hợp ảnh được sử dụng để kết hợp các lát cắt khác nhau để tạo ảnh 3D nhằm nâng cao khả năng chẩn đoán Trong môi trường phòng thí nghiệm, các hệ thống siêu âm cắt lớp 3D được phát triển bởi Viện Công nghệ Karlsruhe đã sử dụng các đầu dò được sắp xếp trong khẩu độ hình trụ 2D Sử dụng lý thuyết chiếu tia, các lát cắt về tốc độ âm và

độ phản xạ đã được xây dựng [35λ và các giá trị], [76].

Kỹ thuật chụp cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia cũng được đề xuất để khôi phục ảnh về các thông số khác ngoài các thông số về tốc độ âm, độ suy hao âm và độ phản xạ Ví dụ, Zhang cùng cộng sự đã đề xuất để khôi phục lát cắt về tham số âm học phi tuyến từ các phép đo biên độ hài bậc 2 [22] và tương tác sóng phi tuyến ở hai tần số khác nhau [21].

Mặc dù việc thực thi thực nghiệm thành công của kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia, nhưng kỹ thuật này thường xuyên gặp phải sự hoài nghi một phần do mô hình vật lý đơn giản được sử dụng để khôi phục ảnh siêu

âm Mặc dù sự khúc xạ là một cơ chế chi phối khi tạo ảnh các đối tượng lớn so với bước sóng, nhưng ảnh hưởng của sự tán xạ cần được xem xét khi kích thước của cấu trúc tán xạ tương đương với bước sóng Các nghiên cứu mô phỏng cho thấy rằng, ngay cả sau khi điều chỉnh sự khúc xạ, kỹ thuật chụp cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia chỉ có thể khôi phục chính xác định

lượng các cấu trúc có kích thước lớn hơn vài bước sóng (tức là từ 2-5λ và các giá trị bước sóng) [102] Hạn chế này cũng được quan sát bằng dữ liệu thực nghiệm [79].

Do đó, từ đầu những năm 1980, sự quan tâm nghiên cứu được chuyển hướng sang các phương pháp cho phép khôi phục các đối tượng có kích thước nhỏ hơn bước sóng bằng việc xem xét ảnh hưởng của sự tán xạ.

1.2.2 Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ:

Kỹ thuật siêu âm cắt lớp hoạt động dựa trên sự tán xạ Khi sóng âm gặp một môi trường không đồng nhất, thì một phần năng lượng sẽ bị tán xạ theo mọi hướng Các máy thu sẽ thu được sóng tán xạ, từ đó chúng ta có được một tập các phép đo của trường tán xạ Bài toán tán xạ ngược bao gồm ước lượng sự phân bố của các tham số âm (như tốc độ âm, sự suy hao âm và mật độ) để khôi phục đối tượng không đồng chất Kỹ thuật này cho phép mô tả chi tiết hơn về đối tượng cần chụp, bởi vì, thay vì dùng tham số trở kháng của sóng âm, thì nó sử dụng nhiều các tham số thuộc tính của sóng âm Do đó, kĩ thuật tán xạ ngược cho phép hiển thị thông tin định lượng, liên quan đến thuộc tính cơ học của đối tượng [19], [33], [36], [48], [5λ và các giá trị1], [5λ và các giá trị2], [5λ và các giá trị4], [65λ và các giá trị].

Tuy nhiên, kỹ thuật tán xạ ngược gặp phải một số hạn chế nhất định nên các thiết bị tạo ảnh siêu âm cắt lớp không đạt được thành công như các phương thức tạo ảnh y sinh khác như chụp ảnh X quang, chụp ảnh dựa trên ứng dụng hạt nhân, chụp ảnh cộng hưởng từ [5λ và các giá trị7] Một là, kỹ thuật tán xạ ngược gặp phải vấn

đề về sự hội tụ khi khôi phục đối tượng có sự thay đổi tốc độ truyền âm lớn Chính vì hạn chế này, mà từ trước tới nay, kỹ thuật tán xạ ngược chỉ được dùng

để tạo ảnh các mô vú [13], [29], [5λ và các giá trị4] bởi vì vú phụ nữ chỉ chứa các mô mềm Một số công trình độc lập nghiên cứu sự tạo ảnh của xương [5λ và các giá trị5λ và các giá trị], chúng có thể

mở rộng mức độ nào đó dải ứng dụng của kỹ thuật tán xạ ngược Hai là, dữ liệu tán xạ phải được thu ở nhiều góc độ khác nhau từ 00 đến 3600 để thu được ảnh chất lượng tốt nhất (minh họa ở Hình 1.2).

9

Đây cũng chính là lí do khác nữa mà hầu hết các công trình nghiên cứu về sự tán xạ ngược tập trung vào tạo ảnh các mô vú Máy chụp ảnh siêu âm cắt lớp phổ biến được thương mại hóa trên thị trường có thể được kể đến là máy máy chụp ảnh vú SoftVue [62] với các tham số hoạt động là: Số biến tử: 2048; Số kênh nhận: 5λ và các giá trị12; Số kênh phát: 5λ và các giá trị12; Tần số hoạt động: 3MHz; Độ phân giải dữ liệu: 14 bít; Độ phân giải ảnh (B-mode): 0.7mm; Độ dày lát cắt: 2,5λ và các giá trịmm; Đường kính vú tối đa: 22cm; Thời gian thu thập trên mỗi lát cắt: 15λ và các giá trịs.

Hình 1.2 Minh họa cấu hình hệ đo sử dụng hiệu ứng tán xạ Việc bố trí máy phát/thu sẽ cho dữ liệu gián tiếp về đối tượng, áp dụng kỹ thuật tái tạo sẽ

thu được là ảnh thể hiện phân bố tốc độ truyền sóng, từ đó nhận diện được

đối tượng [3].

Một hạn chế nữa của kỹ thuật tán xạ ngược là thiếu các kỹ thuật tính toán mạnh và hiệu quả Có hai hướng nghiên cứu trong kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ ngược: Kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phương pháp xấp xỉ Born bậc 1 [5λ và các giá trị] và Kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phương pháp xấp xỉ Rytor bậc 1 [4] Cả hai hướng nghiên cứu này đều có những ưu và

nhược điểm khác nhau Tuy nhiên, kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phương pháp xấp xỉ Born bậc 1 được các nhà khoa học ưu dùng hơn bởi:

Điều kiện để phương pháp xấp xỉ Born bậc một khả dụng là áp suất tán xạ nhỏ hơn nhiều so với áp suất của sóng tới trong đối tượng tạo ảnh Một điều kiện tương đương được đề xuất bởi Slaney và các cộng sự [5λ và các giá trị7] liên quan đến độ lệch pha , đại lượng này biểu thị sự thay đổi pha cực đại của sóng tới khi lan truyền qua môi trường không đồng nhất Bằng mô phỏng, Slaney cùng cộng sự đã phát hiện rằng, kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phương

với sự kỳ vọng của phương pháp xấp xỉ Born bậc 1 là phương pháp này sẽ bị

kém bởi việc xuất hiện một số tạo tác (nhiễu đốm) ở gần tâm đối tượng khôi phục

11

Hình 1.3 Mặt cắt dọc hàm mục tiêu lý tưởng (đường nét liền) và hàm khôi phục (đường nét đứt) sử dụng phương pháp xấp xỉ Born bậc 1 Hàm mục tiêu lý tưởng là hình trụ tròn có bán kính 5λ và các giá trịλ và các giá trị là (a) 0.25λ và các giá trịπ, (b) 0.5λ và các giá trịπ, (c) π và (d) 2π

[5λ và các giá trị4].

Không giống như phương pháp xấp xỉ Born,

phương pháp xấp xỉ Rytor không hạn chế về kích thước của đối tượng tán xạ,

và do đó phương pháp này thường có giá trị cho một phạm vi rộng đối tượng tạo ảnh Tuy nhiên, phép nghịch đảo sử dụng xấp xỉ Rytor thường gặp phải vấn đề gập pha (phase wrapping) Vấn đề này xảy ra khi ước tính pha tổng

từ các phép đo dữ liệu áp suất tán xạ Mặc dù ảnh khôi phục tạo bởi phương pháp xấp xỉ Rytor thường có chất lượng tốt hơn so với ảnh khôi phục tạo bởi phương pháp xấp xỉ Born, nhưng vấn đề gập pha gây ra lỗi lớn và đột ngột khi nghịch đảo phương trình sóng [13], [5λ và các giá trị7] Mặc dù các giải thuật giải quyết vấn đề gập pha đã được đề xuất để cải thiện hiệu quả của phương pháp xấp xỉ Rytor [5λ và các giá trị5λ và các giá trị], [89], nhưng chúng chỉ đạt được thành công hạn hẹp.

thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phương pháp xấp xỉ Born bậc 1 hoạt động khá

ổn định và cho chất lượng khôi phục ảnh đủ tốt Do đó, trong luận án này, nghiên cứu sinh lựa chọn kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng phương pháp xấp

xỉ Born bậc 1 để tiếp tục nghiên cứu và phát triển phương pháp này.

1.3 Các công trình nghiên cứu liên quan đến phương pháp DBIM

Trong phần này, luận án đề cập đến các công trình nghiên cứu liên quan trực tiếp đến việc nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp dựa trên phương pháp lặp vi phân Born bằng việc cải tiến phương pháp DBIM, đề xuất cấu hình

đo mới cho DBIM, và tích hợp các giải thuật xử lý tín hiệu tiên tiến cho phương pháp DBIM Các nghiên cứu về nâng cao chất lượng cho phương

12

pháp DBIM chủ yếu là do các nhà nghiên cứu ngoài nước, ở Việt Nam chỉ có nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội nghiên cứu về lĩnh vực này.

Vấn đề thứ nhất, nghiên cứu cải tiến phương pháp DBIM:

Trong công trình [94], các tác giả đã đề xuất một giải thuật mới nhằm nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp bằng cách kết hợp phương pháp lặp Born (BIM) và phương pháp lặp vi phân (DBIM) Trong phương pháp DBIM, hàm Green được cập nhật trong từng vòng lặp, bởi vậy, ưu điểm của phương pháp này là có tốc độ hội tụ nhanh hơn phương pháp lặp Born Nhưng, nhược điểm của nó là bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu Trong phương pháp BIM, hàm Green không thay đổi trong quá trình lặp, bởi vậy, ưu điểm của phương pháp này là khá mạnh đối với nhiễu (tức là không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu) Nhưng, nhược điểm của nó là có độ phức tạp tính toán khá cao Để tận dụng được những ưu điểm của hai phương pháp BIM và DBIM và khắc phục được những nhược điểm của chúng, các tác giả đã đề xuất giải pháp kết hợp hai phương pháp BIM và DBIM nhằm nâng cao chất lượng khôi phục ảnh siêu âm cắt lớp Thực hiện theo giải pháp này thì qui trình tạo ảnh gồm hai bước: Một là, thực hiện khôi phục ảnh sử dụng phương pháp BIM trong một vài vòng lặp đầu tiên (ưu điểm của bước này là ảnh khôi phục không bị ảnh hưởng bởi nhiễu, trong khi đó, nếu sử dụng phương pháp DBIM thì sẽ bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu, dẫn đến chất lượng ảnh bị kém ngay từ những bước lặp đầu tiên) Hai là, thực hiện khôi phục ảnh sử dụng phương pháp DBIM trong các vòng lặp còn lại (ưu điểm của bước này là có được giải pháp để tốc độ hội tụ nhanh hơn nhằm hạn chế tối thiểu tổng số vòng lặp cần thiết cho quá trình tạo ảnh, trong khi đó, nếu dùng phương pháp BIM thì tốc độ hội tụ sẽ kém hơn, dẫn đến quá trình khôi phục ảnh sẽ kéo dài và độ phức tạp tính toán tăng thêm đáng kể) Có thể thấy rằng, số vòng lặp cần thiết với

phương pháp BIM trong giai đoạn đầu là bao nhiêu trong tổng số các vòng lặp là rất cần thiết để quá trình khôi phục ảnh tốt nhất, và cũng nhằm hạn chế tối thiểu độ phức tạp tính toán vốn dĩ tồn tại trong phương pháp BIM.

Ta có thể nhận biết các khối u lạ vì khi tín hiệu siêu âm truyền qua nó thì tốc độ truyền sẽ thay đổi Phương pháp lặp vi phân Born (DBIM) được ưa chuộng bởi chúng cho phép xây dựng mối liên hệ tuyến tính giữa tín hiệu siêu

âm đo được với hàm mục tiêu lý tưởng (tức là u lạ) thông qua sự thay đổi tốc độ siêu âm khi truyền qua khối u [14] Trong các công trình [74], [81], các tác giả còn nghiên cứu khôi phục hàm mục tiêu lý tưởng sử dụng thông tin mật độ nhằm thu được nhiều thông tin định lượng hơn nữa về đối tượng Các công trình

nghiên cứu [75λ và các giá trị], [83] cho thấy rằng, sự thay đổi tương đối về mật độ ρ

Hình 1.4 Đồ thị so sánh lỗi chuẩn hóa của phương pháp kết hợp

BIM-Interpolation-DBIM và phương pháp DBIM truyền thống [94]

14

Hình 1.5λ và các giá trị Mặt cắt dọc hàm mục tiêu lý tưởng (hình trụ tròn có bán kính 2λ,

, đường nét liền) và hàm khôi phục (đường nét đứt) khi giá trị mật độ thay

trong các mô có thể so sánh theo biên độ với sự thay đổi tương đối của tốc độ

truyền âm c Do đó, việc xác định phân bố mật độ có thể cung cấp thêm thông

tin cần thiết cho phát hiện bệnh ung thư.

Vấn đề thứ 2, nghiên cứu đề xuất cấu hình đo mới cho phương pháp

DBIM:

Phương pháp DBIM được ứng dụng rộng rãi cho việc phát hiện các u

lạ trong vú phụ nữ, do đó, người ta bố trí cấu hình đo DBIM tròn, bao quanh đối tượng (trong kịch bản, đối tượng đặt tại tâm của hệ đo) Về nguyên lý, các máy phát, máy thu có thể được bố trí phân bố đều hay ngẫu nhiên trên cấu hình đo Số lượng máy phát, máy thu tùy thuộc vào kịch bản, phù hợp với yêu cầu thực tế Nếu chọn số máy phát, máy thu nhiều, hệ đo sẽ phức tạp hơn, nên số lượng tính toán lớn và yêu cầu bộ nhớ để lưu trữ và xử lý thông tin

Tuy nhiên, với công nghệ đầu dò siêu âm hiện nay, một đầu dò có thể vừa làm nhiệm vụ phát và thu tín hiệu siêu âm, nên vị trí các máy phát, máy thu có thể

15

trùng nhau Hầu hết các công trình nghiên cứu về DBIM đều sử dụng các đầu

dò được bố trí khoảng cách đều trên hệ đo và sử dụng chuẩn tắc Tikhonov để khôi phục ảnh [31] Có nhiều công trình đã nghiên cứu phương pháp làm giảm độ phức tạp và cải thiện chất lượng ảnh khôi phục như sử dụng phương

Tikhonov trong vấn đề giải bài toán ngược [96], sử dụng phép đo ở đó các đầu dò được bố trí ngẫu nhiên trên hệ đo thay cho phép đo sử dụng các đầu

dò được bố trí khoảng cách đều [95λ và các giá trị].

Hình 1.6 Cấu hình đo đều: Các máy phát (hình sao) và máy thu (hình chữ

nhật) bố trí cách đều nhau trên hệ đo [95λ và các giá trị]

Hình 1.7 Cấu hình đo ngẫu nhiên: Các máy phát (hình sao) bố trí cách đều nhau trên hệ đo và các máy thu (hình chữ nhật) bố trí ngẫu nhiên trên hệ đo

[95λ và các giá trị]

Vấn đề thứ 3, nghiên cứu tích hợp các giải thuật xử lý tín hiệu với

phương pháp DBIM:

độ phức tạp tính toán của phương pháp DBIM khá lớn, bởi vậy giải thuật DBIM khó thực thi trong thực tế Bởi vậy, một trong các giải pháp làm giảm độ phức tạp tính toán đó là sử dụng kỹ thuật nội suy trong DBIM được sử dụng trong [68], [93] Trong phương pháp DBIM đề xuất: Ban đầu, đối tượng được khôi phục với

độ phân giải nhỏ hơn trong một vài vòng lặp đầu tiên; Sau đó, đối tượng được nội suy từ độ phân giải này đến độ phân giải mong muốn để tiếp tục khôi phục ở các vòng lặp còn lại Có nhiều phương pháp nội suy như Bilinear, Bicubic, Spline, Nearest neighbor… Phương pháp nội suy gần nhất (Nearest neighbor) được lựa chọn vì phương pháp này đơn giản, nhanh và tiết kiệm thời gian tính toán.

17

Hình 1.8 Kết quả khôi phục sử dụng phương pháp DBIM: (a) ảnh khôi phục kích thước 6×6 sau 1 vòng lặp; ảnh khôi phục kích thước 12×12 sau 1 vòng lặp sử dụng kỹ thuật nội suy từ kết quả ở (a); (c) ảnh khôi phục kích thước 12×12 sau 1 vòng lặp không sử dụng kỹ thuật nội suy; (d) và (e) lần lượt là ảnh khôi phục kích thước 12×12 sau 4 vòng lặp không sử dụng và có sử dụng

kỹ thuật nội suy [93]

chúng ta giả sử rằng áp suất tán xạ rất nhỏ, do đó, nó có thể được bỏ qua; điều này chỉ đúng trong môi trường tán xạ yếu Với môi trường tán xạ mạnh, phương pháp xấp xỉ Born không còn đúng nữa [5λ và các giá trị6] Vấn đề này có thể được khắc phục bởi việc

sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số để tạo ảnh các đối tượng

dựa trên sự thay đổi tốc độ truyền âm [9], [5λ và các giá trị8], [81], [84], [86], [87], [101] Trong các công trình nghiên cứu này, các tần số f1 và f2 được sử dụng để khôi

phục đối tượng trong Nf1 và Nf2 vòng lặp Tần số thấp f1 đảm bảo độ hội tụ của giải thuật đến sự thay đổi tốc độ truyền âm gần với giá trị thực, nhưng độ

gian trong khi vẫn giữ được độ hội tụ bởi vì sự sai khác giữa sự thay đổi tốc

độ truyền âm thực và sự thay đổi tốc độ truyền âm gốc là tương đối nhỏ (nó thỏa mãn điều kiện của phương pháp xấp xỉ Born) Tuy nhiên, thời điểm chuyển giao từ tần số thấp sang tần số cao là điểm mấu chốt mà các nhà nghiên cứu chưa khai thác được Nếu xác định đúng thời điểm này, chất lượng ảnh khôi phục sẽ là tốt nhất Ngược lại, nếu xác định không đúng chất lượng ảnh thậm chí còn xấu hơn khi chỉ sử dụng một tần số Ngoài ra, những nghiên cứu trước cũng chưa quan tâm tới sự ảnh hưởng của số lượng phép

đo tới hiệu quả của kết hợp tần số Trong công trình [7], các tác giả đề xuất giải pháp kết hợp nhiều hơn hai tần số, giải pháp này cần thu thập và lưu trữ một lượng lớn dữ liệu Do đó, nó yêu cầu bộ nhớ lớn và thời gian tạo ảnh kéo dài đối với bệnh nhân, vì thế, kỹ thuật này được sử dụng rất hạn chế.

19

Hình 1.9 Kết quả khôi phục sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số: (a) Hàm mục tiêu lý tưởng, (b) Ảnh khôi phục sử dụng tần số 2 MHz, (c) Ảnh khôi phục sử dụng tần số 1 MHz, (d) Ảnh khôi phục sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số [81]

thuật lấy mẫu nén cho phép thu nhận và khôi phục tín hiệu thưa với tốc độ lấy mẫu thấp hơn nhiều so với tốc độ lấy mẫu chuẩn Nyquist mà vẫn đảm bảo độ

chính xác Kỹ thuật này bước đầu áp dụng trong một số lĩnh vực như tạo ảnh cộng hưởng từ, truyền thông, và gần đây nó được áp dụng trong tạo ảnh siêu

âm cắt lớp Các phép đo ngẫu nhiên trong cấu hình đo được đề xuất trong công trình, [6], [12], [34], [47], [69], [80], [90] Các tác giả thiết lập các vị trí

của máy thu ngẫu nhiên để thu thập thông tin trường tán xạ âm Phương pháp này có thể làm giảm độ phức tạp tính toán và cải thiện chất lượng khôi phục

sự thay đổi tốc độ truyền âm, so với phương pháp truyền thống Tuy nhiên, việc thực hiện kỹ thuật lấy mẫu nén dựa trên việc lấy mẫu ngẫu nhiên dẫn đến hạn chế khó thực thi trên phần cứng của hệ thống tạo ảnh siêu âm cắt lớp Bởi

vì điều đó đồng nghĩa với việc các đầu dò sẽ phải phân bố ngẫu nhiên trên hệ

đo Vấn đề này sẽ khó thực hiện vì để tạo ra một chuỗi ngẫu nhiên, người ta phải sử dụng bộ phát số ngẫu nhiên phần cứng (HRNG) hoặc bộ phát số giả ngẫu nhiên (PRNG) Việc triển khai HRNG và PRNG trong thực tế sẽ rất phức tạp.

Hình 1.10 Lỗi chuẩn hóa của phương pháp BIM với phép đo đều (uniform) và BIM

kết hợp với kỹ thuật lấy mẫu nén (CS) [80]

1.4 Định hướng nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu giải quyết thành công một số vấn

đề còn bỏ ngỏ đã phân tích ở trên, cụ thể là: a) Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật kết hợp tần số hiệu quả ứng dụng trong DBIM nhằm nâng cao chất lượng tạo

21

ảnh siêu âm cắt lớp, cụ thể là tăng tốc độ hội tụ và cải thiện độ phân giải ảnh;

DBIM nhằm nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp, cụ thể là giảm đáng

kể độ phức tạp tính toán, ảnh khôi phục có độ chính xác cao.

Trong phương pháp DBIM, ta có thể tính toán giá trị cụ thể của từng điểm ảnh trong vùng quan tâm Chỉ cần có một môi trường không đồng nhất

có kích thước nhỏ, thì sóng siêu âm sẽ bị tán xạ và ta thu được dữ liệu tán xạ Nhờ phương pháp DBIM ta có thể xác định chính xác vị trí và hình dạng đối tượng Ta thấy rằng, vấn đề cốt lõi nằm ở chỗ giải thuật khôi phục chính xác đối tượng với hiệu suất cao Hình 1.11 cho ta thấy rằng, sử dụng kỹ thuật siêu

âm cắt lớp, bất cứ môi trường không đồng nhất nào ta đều có thể tạo ảnh được khi sự thay đổi tốc độ truyền âm đủ lớn (trong hình vẽ thể hiện là vùng ngực có sự xuất hiện các tuyến vú và vùng tổn thương).

Hình 1.11 Ảnh khôi phục vú sử dụng kỹ thuật siêu âm cắt lớp [27]

Chính vì lý do trên, nên trong phương pháp DBIM, để có thể phát triển các giải thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp, nghiên cứu sinh đã sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng Nghiên cứu sinh đã lý tưởng hóa mô hình và các tham số để nhằm mục đích nghiên cứu phát triển một giải thuật khôi phục ảnh hiệu quả hơn so với phương pháp truyền thống Do đó, nghiên cứu sinh

thiết lập đối tượng cần khôi phục là hình trụ tròn đơn giản, và môi trường xung quanh đối tượng là đồng nhất (ta bỏ qua sự có mặt của các tuyến vú).

Và việc quan trọng cần làm là làm thế nào để khôi phục được ảnh càng giống hàm mục tiêu càng tốt.

Để khôi phục được đối tượng u lạ trong môi trường không đồng nhất,

ta có thể dựa vào các thuộc tính âm học của đối tượng như: sự thay đổi tốc độ truyền âm; độ suy hao âm; sự thay đổi mật độ và một số tham số vật lý khác Mặc dù đã có một số công trình nghiên cứu thông tin mật độ và độ suy hao

âm để khôi phục ảnh, tuy nhiên số lượng các công trình nghiên cứu theo hướng này còn hạn chế [5λ và các giá trị4], [74] Hầu hết các công trình nghiên cứu trước đây đều dựa vào tham số sự thay đổi tốc độ truyền âm để khôi phục ảnh [82], [5λ và các giá trị6], [77], [92], [102] Do đó, trong kịch bản mô phỏng, nghiên cứu sinh chỉ giới hạn việc khôi phục ảnh siêu âm cắt lớp dựa vào sự thay đổi tốc độ truyền

âm Vì chúng ta cần khôi phục, phát hiện các u ở giai đoạn đầu nên chúng ta quan tâm kích thước đối tượng nhỏ hơn, hoặc bằng bước sóng của sóng tới

và sự thay đổi tốc độ truyền âm khá nhỏ Tức là, vị trí biên phân cách giữa môi trường nền và môi trường đối tượng có sự thay đổi tốc độ truyền âm khá nhỏ nên ta bỏ qua ảnh hưởng của sự phản xạ và khúc xạ Trong các công trình nghiên cứu về siêu âm cắt lớp, sự khác biệt giữa u lạ và môi trường là không nhiều nên tác động biên không đáng kể.

trong DBIM nhằm nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp, cụ thể là tăng tốc độ hội tụ và cải thiện độ phân giải ảnh Kỹ thuật kết hợp tần số cho

phép nâng cao chất lượng tạo ảnh siêu âm cắt lớp Trong phương pháp DBIM, việc chọn tần số khởi tạo phụ thuộc vào điều kiện xấp xỉ Born, tức là chọn giá

23

ban đầu với độ tương phản c1 Sau đó, chọn giá trị bước nhảy tần số, từ đó ta

quan trọng của việc tăng dần tần số như vậy sẽ làm tăng dần độ phân giải ảnh khôi phục và tiến đến việc khôi phục ảnh ở cấp độ mô sinh học Dựa vào phân tích trên, nếu nói về mặt chất lượng tạo ảnh (cụ thể ở đây là tốc độ hội tụ), thì phương pháp MF-DBIM (DBIM đa tần số) sẽ cho chất lượng tốt hơn so với phương pháp DF-DBIM (DBIM hai tần số) Tuy nhiên, trong một ràng buộc nào đó về khối lượng lưu trữ, tính toán và giảm thiểu thời gian tạo ảnh thì việc sử dụng phương pháp DF-DBIM cũng là một sự lựa chọn hiệu quả nếu cần phải thỏa hiệp giữa tốc độ hội tụ và khối lượng tính toán Bởi vậy, trong luận án, nghiên cứu sinh chỉ giới hạn việc sử dụng 2 tần số ứng dụng trong việc khôi phục ảnh Trong Hình 1.2, với mỗi một phép đo thì sóng siêu âm (ở một tần số nhất định) khi truyền qua đối tượng nếu có khối u thì tốc độ truyền

âm sẽ thay đổi Khi chúng ta có một tập kết quả đo thì sẽ sử dụng phương pháp BIM/DBIM để xây dựng ảnh phân bố theo không gian thể hiện được sử thay đổi tốc độ này, từ đó phát hiện được vị trí, kích thước và loại u Kỹ thuật kết hợp tần số vốn được sử dụng rộng rãi trong viễn thông và có thể áp dụng cho siêu âm như sau: trong giai đoạn đầu của bài toán khôi phục ảnh sẽ sử dụng tập dữ liệu với tần số thấp để đảm bảo sự hội tụ nhanh, tiếp đó sẽ sử dụng tập dữ liệu tần số cao hơn để đảm bảo độ chính xác của thuật toán khôi phục Theo hướng nghiên này, các nhà khoa học đã trình bày một số công trình về kết hợp tần số cho tạo ảnh siêu âm cắt lớp [78], [81] Tuy nhiên, thời điểm chuyển giao từ tần số thấp sang tần số cao là điểm mấu chốt mà các nhà nghiên cứu khác chưa khai thác được Nếu xác định đúng thời điểm này, chất lượng ảnh khôi phục sẽ là tốt nhất Ngược lại, nếu xác định không đúng chất