Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu

Mục đích nghiên cứu Luận văn nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu nhằm bổ sung đặc tính đàn hồi và nhớt của mô vào ảnh siêu âm, nâng cao chất lượng hình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

- -

NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

- -

NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử,Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

HÀ NỘI - 2020

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được

sự hỗ trợ, giúp đỡ và đóng góp quý báu của thầy cô, đồng nghiệp, gia đình, các bạn Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn và tri ân sâu sắc đến TS Trần Thị Thúy Quỳnh

và PGS.TS Trần Đức Tân Với vai trò cán bộ hướng dẫn khoa học, thầy cô không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành nội dung luận văn mà còn là người định hướng, truyền cảm hứng, sự đam mê và ý chí quyết tâm trên con đường nghiên cứu khoa học đầy gian khó

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo chuyên ngành Kĩ thuật điện tử, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi

Tôi xin cám ơn sự hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu phát triển thuật toán tìm kiếm và

đo độ đàn hồi mô định lượng, ứng dụng chẩn đoán u lành và ác tính”, mã số B2020 - SP2-02

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn trong học tập, công việc và cuộc sống, giúp tôi hoàn thành luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn của TS Trần Thị Thúy Quỳnh và PGS.TS Trần Đức Tân Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực, không sao chép các công trình của người khác

Tất cả các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn được ghi rõ nguồn gốc Nếu

có sai sót, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2020

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG 7

PHẦN MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG 10

1.1 Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán 10

1.1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm 10

1.1.2 Phương pháp tạo hình bằng siêu âm 13

1.1.3 Các kiểu siêu âm 16

1.2 Những kiến thức cơ bản về sự lan truyền sóng biến dạng 18

1.2.1 Khái niệm sóng biến dạng 18

1.2.2 Nguyên lý tạo và đo vận tốc hạt của sóng biến dạng 18

1.3 Phương pháp tạo ảnh siêu âm đàn hồi sóng biến dạng trong chẩn đoán bệnh 21

1.4 Ứng dụng siêu âm sóng biến dạng trong chẩn đoán xơ gan 23

1.5 Tính toán Module shear phức theo mô hình Kelvin–Voigt 25

1.6 Tổng quan các nghiên cứu về ước lượng và tạo ảnh đàn hồi nhớt mô 26

CHƯƠNG 2 TẠO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SÓNG BIẾN DẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU GAUSS 28

2.1 Biểu diễn lan truyền sóng biến dạng sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) 28

2.2 Nhiễu trong ảnh siêu âm 30

2.3 Lọc nhiễu ảnh 2D bằng bộ lọc LMS 31

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

33

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 34

CHƯƠNG 3 ƯỚC LƯỢNG CSM TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU GAUSS VÀ HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ 40

3.1 Ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng đến ước lượng CSM 40

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ trong việc ước lượng CSM 40

3.2.1 Xây dựng kịch bản mô phỏng 40

3.2.2 Kết quả mô phỏng 42

KẾT LUẬN 46

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết

AHI Algebraic Helmholtz Inversion Biến đổi ngược đại số Helmholtz ARF Acoustic Radiation Force Lực bức xạ âm

ARFI Acoustic Radiation Force

CSM Complex Shear Modulus Module Shear phức

MRI Magnetic Resonance Imaging Tạo ảnh cộng hưởng từ

SWEI Shear Wave Elasticity Imaging Ảnh đàn hồi sóng biến dạng

UT Ultrasound Tomography Siêu âm cắt lớp

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tốc độ lan truyền của các mô thường gặp [2] 10

Hình 1.2 Xác định độ sâu của của giao diện nơi tạo ra phản hồi[2] 11

Hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ [2] 12

Hình 1.4 Độ giảm thấu của các mô thường gặp [2] 13

Hình 1.5 Cấu tạo đầu dò 14

Hình 1.6 Ba loại đầu dò phổ biến 15

Hình 1 7 Xơ gan qua các giai đoạn 23

Hình 1 8 Giá trị độ nhớt của gan theo từng giai đoạn xơ hóa 25

Hình 1 9 Giá trị độ đàn hồi của gan theo từng giai đoạn xơ hóa 25

Hình 2 1 Vận tốc hạt và các nút căng ứng xuất trên mặt phẳng (x,y)[17] 29 Hình 2.2 Bộ lọc LMS 31

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán bộ lọc LMS 32

Hình 2 4 Lưu đồ giải thuật ước tính 2D - CSM sử dụng AHI 34

Hình 2.5 Ảnh 2D lý tưởng độ đàn hồi của mô 35

Hình 2.6 Ảnh 2D lý tưởng độ nhớt của mô 35

Hình 3.1 Ảnh đàn hồi lý tưởng 42

Hình 3.2 Ảnh độ nhớt lý tưởng 42

Hình 3.3 Vận tốc sóng hạt theo không gian 42

Hình 3.4 Vận tốc sóng phản xạ trong không gian 43

Hình 3.5 Vận tốc sóng hạt khi không có phản xạ 43

Hình 3.6 Vận tốc sóng hạt khi có phản xạ 44

Hình 3.7 Ước lượng đàn hồi khi có phản xạ 45

Hình 3.8 Ước lượng đàn hồi khi không có phản xạ 45

Hình 3.9 Ước lượng độ nhớt khi có phản xạ 45

Hình 3.10 Ước lượng độ nhớt khi không có phản xạ 45

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Các mức độ xơ hóa gan (độ đàn hồi gan: kPa) 24

Bảng 2.1 Thống số giá trị đàn hồi và độ nhớt trong mô phỏng 35

Bảng 2 2 So sánh sai số chuẩn hóa khi sử dụng bộ lọc LMS và khi không sử dụng bộ lọc 39Bảng 2 3 Sai số chuẩn hóa khi sử dụng bộ lọc LMS với các mức độ nhiễu giảm dần 39

Bảng 3.1 Giá trị trở kháng âm của một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể người 40 Bảng 3.2 Bảng chỉ số sai số chuẩn hóa ước lượng CSM 44

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ung thư là căn bệnh quái ác đang từng ngày cướp đi sinh mạng của hàng ngàn người trên thế giới Tại Việt Nam, số người mắc ung thư đang gia tăng nhanh chóng và trở thành nỗi lo của toàn xã hội Theo WHO, tổ chức Y tế thế giới, năm 2018 Việt Nam xếp vị trí 99/185 quốc gia và vùng lãnh thổ với tỉ lệ mắc ung thư là 151,4/100.000 dân Xếp thứ 19 trong châu Á và thứ 5 tại khu vực Đông Nam Á Năm 2000 Việt Nam có khoảng 68.000 ca ung thư mắc mới Năm 2010 đã lên tới 126.000 ca mắc ung thư Đến năm 2018, con số mắc mới đã tăng lên gần 165.000 ca/96,5 triệu dân [11]Và ước tính đến năm 2020 số ca ung thư mắc mới ở Việt Nam 189.000 người Như vậy số ca mắc mới ung thư ở Việt Nam tăng dần theo từng năm và tăng với con số chóng mặt

Việt Nam là quốc gia nằm trong vùng dịch tễ có tỉ lệ viêm gan cao Ung thư gan

đứng đầu trong các loại ung thư phổ biến với số mắc năm 2018 là 25.335 ca.[5] Tỷ lệ

sống trung bình của bệnh nhân ung thư gan trong vòng 5 năm sau khi được chẩn đoán

là khoảng 9 % Nếu phát hiện và điều trị bệnh trong giai đoạn đầu, có khoảng 19% bệnh nhân có khả năng sống trên 5 năm Tiên lượng sống trên 5 năm cho bệnh nhân ung thư gan giai đoạn 2 giảm xuống còn khoảng 6,5% Đến giai đoạn cuối, tỷ lệ sống sót sau 5 năm của bệnh nhân ung thư gan chỉ còn khoảng 3,5% [1]

Những con số đáng báo động trên cho thấy việc tầm soát và chẩn đoán sớm bệnh ung thư nói chung và ung thư gan nói riêng là một trong những vấn đề có tính chất quyết định đến hiệu quả điều trị của người bệnh

Nhiều nghiên cứu khoa học đã cho thấy ung thư gan phát triển trên nền xơ gan Theo các chuyên gia y tế, chẩn đoán xơ gan là một trong những tiêu chí quan trọng trong việc quyết định điều trị, theo dõi diễn biến bệnh và tiên lượng bệnh Trong chẩn đoán

xơ gan, sinh thiết gan được xem là tiêu chuẩn vàng Tuy nhiên, sinh thiết là phương pháp xâm lấn gây đau và dễ gây biến chứng như: Chảy máu, nhiễm khuẩn Các biến chứng nguy hiểm xảy ra ở 1% - 5% bệnh nhân, với tỷ lệ tử vong được ghi nhận từ 1:1000 đến 1:10 0000 [13] Thêm vào đó sự chính xác của mẫu sinh thiết cũng là một vấn đề có thể dẫn đến sự sai lệch trong đánh giá xơ gan… Những hạn chế này của sinh thiết gan

đã dẫn đến nhu cầu phát triển các đánh giá xơ hóa gan không xâm lấn phù hợp hơn để sàng lọc, theo dõi và điều trị bệnh Với sự phát triển của khoa học, hiện nay kỹ thuật siêu âm sóng biến dạng có thể giúp bác sĩ chẩn đoán độ xơ hoá gan, độ cứng của khối

u

Siêu âm sóng biến dạng là kỹ thuật mới trong ngành siêu âm, giúp xác định độ đàn hồi của cơ quan, tổn thương Kỹ thuật được thực hiện như siêu âm thường quy trên máy siêu âm có tính năng siêu âm sóng biến dạng Phương pháp siêu âm này nâng độ đặc hiệu của chẩn đoán, giúp cho thu hẹp chỉ định sinh thiết mà không bỏ sót tổn thương Tuy nhiên quá trình tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng luôn chịu ảnh hưởng của nhiễu Gauss và hiện tượng phản xạ làm giảm chất lượng hình ảnh do đó đề tài đề xuất “Nghiên

cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu” nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh siêu âm qua đó góp phần giúp bác sĩ đưa ra những chẩn đoán chính xác hơn

2 Mục đích nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu nhằm bổ sung đặc tính đàn hồi và nhớt của mô vào ảnh siêu âm, nâng cao chất lượng hình ảnh siêu âm qua đó góp phần giúp bác sĩ đưa ra những chẩn đoán chính xác hơn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan tạo ảnh siêu âm

- Tìm hiểu về sóng biến dạng

- Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng với phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) kết hợp bộ lọc LMS và biến đổi ngược đại số Helmholtz (AHI)

- Mô phỏng tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu Gauss, khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng phản xạ sóng biến dạng

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là ảnh siêu âm sóng biến dạng: Ước lượng tính chất đàn hồi

và nhớt của mô mềm sinh học thông qua mô đun shear phức

Luận văn tập trung nghiên cứu tạo ảnh siêu âm 2D sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu và mô phỏng kiểm chứng

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp chuyên gia, phương pháp mô phỏng kiểm chứng

6 Cấu trúc luận văn

Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về phương pháp tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng

Chương này trình bày nguyên lý về siêu âm chẩn đoán và những kiến thức cơ bản

về sự lan truyền sóng biến dạng, phương pháp tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng

Chương 2: Tạo ảnh siêu âm sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu Gauss

Chương này trình bày về quy trình tạo ảnh sóng biến dạng sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD), bộ lọc LMS và thuật toán biến đổi ngược đại số Helmholtz (AHI) Xây dựng kịch bản mô phỏng kiểm chứng và kết quả

Chương 3: Uớc lượng CSM trong môi trường có nhiễu Gauss và hiện tượng phản

xạ

Chương này xây dựng kịch bản mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng phản

xạ sóng biến dạng đến ước lượng CSM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG 1.1 Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán

1.1.1 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

a 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 Theo hình 1.1 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 1.540m/s

Hình 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)

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)

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

b 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)

lệ thuộc tính chất vật lý của mô mà sóng truyền qua

c 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)

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)

f Hiện tượng nhiễu xạ

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

g 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

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)

Hình 1.4 Độ giảm thấu của các mô thường gặp [2]

1.1.2 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

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)

Hình 1.5 Cấu tạo đầu dò 1

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 1.6

1 https://yhocvn.net/dau-do-sieu-am-cau-tao-nguyen-ly-va-cach-lua-chon.html

Hình 1.6 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 Đầu dò

có vùng phủ sóng nhỏ và tần số thấp tần số trung tâm của nó là 2Mhz - 7.5Mhz Điểm chùm tia hẹp nhưng nó có thể được mở rộng tùy thuộc vào tần số được áp dụng Hơn nữa, hình dạng chùm tia gần như hình tam giác và độ phân giải trường gần kém Đầu dò này thường dùng để khám tim, khám bụng, khám não

2 https://easterngroup.com.vn/cach-lua-chon-dau-do-sieu-am

Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm

Máy siêu âm hoạt động theo nguyên lý định vị bằng sóng siêu âm Khi máy siêu âm hoạt động, các tinh thể bên trong đầu dò phát ra các sóng siêu âm truyền vào bên trong

cơ thể Các mô, xương và chất lỏng trong cơ thể - một phần hấp thụ hoặc truyền qua -

một phần phản xạ lại sóng âm và quay ngược trở lại đầu dò

Đầu dò thu nhận tín hiệu siêu âm phản hồi từ cơ thể sau đó biến thành dòng điện Dòng điện này mang theo thông tin về độ chênh lệnh trở kháng giữa các cấu trúc mà chùm tia siêu âm đã xuyên qua và thông tin về khoảng cách từ cấu trúc phản xạ siêu âm đến đầu dò Khoảng cách này được tính bằng phương trình (1.6)

𝐷 =𝑐 × 𝑡

Trong đó D: khoảng cách

c: tốc độ siêu âm trong cơ thể

t: Thời gian từ khi phát xung đến khi nhận xung

Đầu dò thu nhận sóng âm phản hồi, gửi các thông tin này tới bộ xử lý, sau khi phân tích các tín hiệu phản hồi bằng 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.Tuỳ theo kiểu siêu âm mà cho

ta các thông tin khác nhau về cấu trúc và chức năng của các cơ quan mà ta cần nghiên cứu

1.1.3 Các kiểu 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 độ tỷ lệ thuận với cường độ của âm vang (echo) Kiểu A ít có giá trị về chẩn đoán mà thường dùng để đo khoảng cách, kiểm tra sự chính xác của máy siêu âm

Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D): Kiểu siêu âm này được sử dụng phổ biến nhất

trong tất cả các chuyên khoa Mỗi sóng xung kểu B đều được ghi bằng một chấm sáng nhiều hay ít tùy theo cường độ của âm dội Sự di chuyển của đầu dò trên da bệnh nhân cho phép ghi lại cấu trúc âm của các mô trong cơ thể nằm trên mặt phẳng quét chùm tia, đây là phương pháp siêu âm cắt lớp Các thông tin này sẽ được thể hiện trên màn hình thành những chấm trắng đen xám sắp xếp theo một thứ tự nhất định tái tạo nên hình ảnh của các cơ quan, cấu trúc mà chùm tia đã đi qua

Để tìm hiểu các cấu trúc có vận động trong cơ thể như tim và các mạch máu người ta chế tạo đầu dò có vận tốc tạo ảnh lớn hơn 24 hình/giây Hình ảnh các lớp cắt

sẽ nối tiếp nhau nhanh chóng, nhờ hiện tượng lưu ảnh võng mạc nên ta nhìn thấy ảnh liên tục, không tách rời từng lớp

Siêu âm kiểu TM (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 quét ngang thường xuyên

Do đó những cấu trúc đứng yên trên màn hình là một đường thẳng, còn những cấu trúc chuyển động là một đường cong ngoằn nghèo tùy theo sự chuyển động của cơ quan thăm khám [8] Siêu âm kiểu này thường dùng để khám tim, đo đạc các thông số siêu

âm về khoảng cách, thời gian đối với những cấu trúc có chuyển động

Siêu âm kiểu Doppler : Doppler là kỹ thuật ghi lại sóng âm thanh thu được từ vật

thể chuyển động Ứng dụng hiệu ứng Doppler 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 màu, Doppler xung Ngày nay người ta còn mã hóa các dòng chảy của siêu âm chính là siêu âm Động-màu, siêu âm Doppler năng lượng (Power Doppler), siêu âm tổ chức (tissue doppler)

Siêu âm kiểu 3D: siêu âm 3D đã được ứng dụng rất rộng rãi trong 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 một loại được gọi là 3D thực sự (Live 3D, 3D real time, 4D) Siêu âm 3D do một đầu dò có cấu trúc khá lớn, mà trong đó người ta bố trí các chấn tử theo hình ma trận, phối hợp với phương pháp quét hình theo chiều không gian nhiều mặt cắt, các mặt cắt theo kiểu 2D này được máy tính lưu giữ lại và dựng thành hình theo không gian 3 chiều

Hiện nay siêu âm được áp dụng rộng rãi trong chẩn đoán bệnh lý ở các cơ quan của hệ tiêu hóa, tim mạch, hệ tiết niệu sinh dục, da liễu….Các đầu dò thường dùng với tần số 2,5 MHz - 10MHz Siêu âm còn giúp hướng dẫn để dò tìm xác định vị trí, hướng

đi của kim để chọc sinh thiết, can thiệp điều trị nang v.v…Tuy nhiên với siêu âm thông

thường khó có thể tái tạo lại các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng Siêu âm chụp cắt lớp(Ultrasound Tomography - UT) sử dụng kỹ thuật tán xạ có thể thực hiện được yêu

cầu trên Phương pháp DBIM được sử dụng trong siêu âm chụp cắt lớp Phương pháp này biểu diễn mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu siêu âm đo được với sự tương phản

âm thanh khi siêu âm đi qua khối u Trong [41] nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã kết hợp DBIM với kỹ thuật nội suy để cải thiện chất lượng và thời gian tái tạo hình ảnh siêu

âm chụp cắt lớp

Ngoài phương pháp siêu âm chụp cắt lớp, một kỹ thuật siêu âm mới cũng đã và

đang được phát triển để nâng cao hiệu quả chẩn đoán hình ảnh, đó là siêu âm đàn hồi sóng biến dạng Phương pháp này bổ sung đặc điểm độ nhớt và độ đàn hồi của mô tổn

thương trên nền hình ảnh siêu âm kiểu B Kỹ thuật siêu âm đàn hồi sóng biến dạng sẽ được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo của luận văn

1.2 Những kiến thức cơ bản về sự lan truyền sóng biến dạng

1.2.1 Khái niệm sóng biến dạng

Sóng biến dạng (shear wave - SW) hay còn gọi là sóng ngang, sóng trượt, sóng cắt Sóng biến dạng là sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng Sóng biến dạng truyền chậm hơn sóng dọc, giá trị thường cỡ 60% tốc độ sóng dọc ở cùng môi trường Sóng biến dạng chỉ truyền trong chất rắn hoặc thể vô định hình gần rắn, bề mặt chất lỏng, không truyền qua chất lỏng và khí

Phương trình sóng biến dạng (1.7)

Trong đó: ρ: Mật độ mô hay tỷ trọng mô (mg/m3)

c: Vận tốc sóng biến dạng (m/s)

E là mô đun đàn hồi Young ( Pa)

1.2.2 Nguyên lý tạo và đo vận tốc hạt của sóng biến dạng

Theo phương trình (1.7) trong cùng một loại mô, vận tốc của sóng cơ học trong

mô càng lớn thì chứng tỏ mô càng cứng Do đó, việc đo được vận tốc lan truyền của sóng cơ học trong mô có ý nghĩa rất lớn trong việc chỉ ra đặc tính vật lý của mô

Trong kỹ thuật tạo ảnh đàn hồi sóng biến dạng, có hai phương pháp để tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mô Thứ nhất là, sử dụng lực bức xạ âm ARF (Acoustic Radiation Force) để kích thích sự rung động của mô và từ đó tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mô Thứ hai là, sử dụng một kim rung để kích thích dao động tại một vị trí trên mô, từ đó cũng tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mô

a Phương pháp tạo sóng biến dạng sử dụng lực bức xạ âm ARF

Lực bức xạ âm (ARF) là hiện tượng liên kết với lan truyền sóng âm trong môi trường giảm âm, là kết quả của một chuyển đổi động lượng (momentum transfer) từ sóng siêu âm lan truyền đến mô qua đó truyền đi theo luật hấp thụ và cơ chế tán xạ

ARFI (Acoustic Radiation Force Impulse) là một phương pháp mới về siêu âm đàn hồi không xâm hại để xác định gan xơ hoá (hình 2.1) ARFI được thực hiện cùng lúc với siêu âm thường quy Vùng khảo sát được chọn bằng hình ảnh siêu âm kiểu

B Vận tốc sóng biến dạng càng lớn thì mô khảo sát càng cứng

Hình 1.7 Kỹ thuật ARFI trong siêu âm xác định gan xơ hóa

Hình 1.8 Tạo sóng biến dạng sử dụng ARFI 3

Kỹ thuật ARFI [9]

Bước 1: Ghi hình siêu âm 2D cơ bản

Bước 2: Phát xung sóng âm ngắn (100 μm)

+ Xung áp âm gây ra lực nén trong mô

+ Lực nén làm các thành phần mô dịch chuyển ít nhiều đồng thời tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mô

Bước 3: Những chùm sóng âm được phát đi trong khoảng thời gian ngắn và liên tục để thu về thông tin dịch chuyển của mô / so với hình tham khảo trong bước 1

Bước 4: ước tính giá trị vận tốc sóng biến dạng

Ứng dụng mới của tạo hình xung lực bức xạ âm, được gọi là định lượng mô Virtual Touch, được thực hiện trên máy Acuson S2000 (Siemens AG, Erlangen, Đức) với đầu dò sector đa tần số 4-10 MHz, tạo hình hòa âm mô (tissue harmonic imaging) 4 MHz Tạo hình xung lực bức xạ âm kích thích cơ học mô bằng cách sử dụng xung âm thời lượng ngắn (≈262 ms) với tần số truyền cố định là 2,67MHz để tạo ra dời chỗ mô khu trú, và các dời chỗ mô được theo dõi bởi các phương pháp tương quan siêu âm (ultrasound correlation-based methods).(Hình 1.8)

Ưu điểm của ARFI[12]

3 Hình ảnh bản quyền của Siemens

- ARFI là một phương pháp đánh giá xơ hóa gan không xâm lấn, thời gian thực hiện ngắn

- Vùng khảo sát có thể quan sát được nên tránh được các mạch máu và chọn được độ sâu để đo

- Phần mềm ARFI được cài đặt vào máy siêu âm thông thường, do đó vừa khảo sát hình ảnh của gan vừa đánh giá độ cứng của gan cùng lúc

- ARFI có thể đo được ở bệnh nhân có báng bụng, khoảng gian sườn hẹp và chỉ số BMI cao trong khi transient elastography (FibroScan) không thực hiện được

Nhược điểm của ARFI:

- Vùng khảo sát nhỏ (0,5cm x 1cm)

- Kỹ thuật chưa được đánh giá rộng rãi như FibroScan

b Phương pháp sử dụng một kim rung để kích thích dao động tại một vị trí trên mô, từ

đó tạo ra sóng biến dạng lan truyền trong mô

Phương pháp sử dụng kim rung để tạo sóng biến dạng trong mô cũng được Frulio

và cộng sự sử dụng trong [19] Trong nghiên cứu này SWEI được dùng để đánh giá các bệnh liên quan đến Gan (hình 1.9)

Hình 1.9 Tạo sóng biến dạng sử dụng kim rung trong chẩn đoán bệnh gan

Việc mô phỏng nguyên lý tạo và đo vận tốc hạt của sóng biến dạng lan truyền trong mô là dựa trên thực nghiệm được tiến hành trong [32] Thí nghiệm được mô tả như hình 1.10: một chiếc kim (làm bằng thép không gỉ, đường kính 1.5 mm và dài 13 cm) được điều khiển rung dọc trục bởi một bộ truyền động có thể điều chỉnh tần số dao động Chiếc kim này tạo ra sự rung dọc theo trục z với tần số rung trong khoảng từ 50

Hz đến 450 Hz Do đó, sóng biến dạng được truyền trong các lớp mặt phẳng (X,Y) vuông góc với trục Z (trục dao động của kim rung) Đo vận tốc hạt của sóng biến dạng bằng hệ thống siêu âm Doppler

Hình 1.10 Tạo và đo sóng biến dạng trong mô

Phương trình (1.8) được sử dụng để tính toán vận tốc hạt v(r,t) tại vị trí không gian r và thời gian t [33]

𝑣(𝑟, 𝑡) = 1

√𝑟 − 𝑟0𝐴𝑒

−𝛼(𝑟−𝑟0)𝑐𝑜𝑠[𝜔𝑡 − 𝑘𝑠(𝑟 − 𝑟0) − 𝜙]

(1.8) Trong đó A là biên độ rung của kim, r0 là vị trí không gian của kim, ϕ là pha ban đầu, α và ks tương ứng là hệ số suy hao và số sóng ở vị trí không gian r

Tuy nhiên, phương trình (1.8) không phản ánh được sự lan truyền sóng biến dạng trong mô thực, đặc biệt trong môi trường không đồng nhất Do đó, phương pháp FDTD (Finite Difference Time Domain) được sử dụng với sự giả định rằng sự lan truyền sóng biến dạng dọc trục xuyên tâm và bỏ qua sự hấp thụ của môi trường sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2

1.3 Phương pháp tạo ảnh siêu âm đàn hồi sóng biến dạng trong chẩn đoán bệnh

Nhiều loại mô cơ thể được cấu tạo nên từ các thành phần khác nhau nên chúng

có độ cứng khác nhau Các biến đổi bệnh lý khiến cho mô thay đổi độ cứng Các mô bệnh lý có thể có cùng độ phản hồi âm, nhưng chúng có độ cứng khác nhau, các mô càng ác tính thì độ cứng càng tăng Vì vậy khi đánh giá được độ cứng của mô tổn thương

sẽ cung cấp thêm thông tin về bản chất của mô đó

Những mô bệnh lý có cùng độ phản hồi âm thì trên hình ảnh siêu âm kiểu B khó phân biệt tính chất lành tính hay ác tính, siêu âm Doppler có thể hỗ trợ thêm cho nhận định, những khối u ác thường tăng sinh mạch máu nhiều, nhưng nhiều trường hợp sự tăng sinh mạch máu cũng không rõ ràng vì vậy vẫn khó nhận định tính chất lành tính hay ác tính Siêu âm đàn hồi mô sẽ giúp bổ sung thêm thông tin về đặc tính của mô tổn thương để làm tăng khả năng chẩn đoán

Siêu âm đàn hồi mô là một bước tiến mới trong ngành siêu âm Phương pháp này được đề xuất vào năm 1991

Hình 1.11 Ba phương pháp siêu âm thường được phối hợp để hỗ trợ giúp đánh giá tổn

thương được chính xác [6]

1.3.1 Nguyên lý của siêu âm đàn hồi mô

Nguyên lý của siêu âm đàn hồi là cùng một lực tác động, mô mềm sẽ biến dạng nhiều và mô cứng biến dạng ít hơn Khi ta ấn vào một vật, tùy theo độ cứng của vật mà vật biến dạng hoặc dịch chuyển khác nhau Sự biến dạng và dịch chuyển đó sẽ được ghi lại và mã hóa bằng màu sắc gọi là bản đồ đàn hồi (Xem hình 1.12) Dựa vào bản đồ đàn hồi có thể lượng hóa được mức độ cứng của các vùng mô Thang màu được hiển thị bên cạnh hình ảnh siêu âm

Hình 1.12 Bản đồ đàn hồi [14]

Siêu âm đàn hồi được phân thành 2 loại: tạo hình đàn hồi biến dạng mô (strain elastography) và tạo hình đàn hồi sóng biến dạng (Shear-wave elastography) Phương

pháp siêu âm đàn hồi bằng cách tác động một lực từ bên ngoài lên tổn thương để gây ra biến dạng tổn thương được gọi là tạo hình đàn hồi biến dạng mô Khi thực hiện người làm siêu âm ấn đầu dò bằng một lực nhất định để tác động lên mô tổn thương Nhược điểm của phương pháp này là lực ấn đầu dò khó xác định nên giữa lần này và lần khác

ở cùng một người, giữa người này và người khác lực tác động sẽ khác nhau làm kết quả không thống nhất Để khắc phục nhược điểm trên người ta dùng phương pháp siêu âm đàn hồi sóng biến dạng

1.3.2 Nguyên lý siêu âm đàn hồi sóng biến dạng

Phát một chùm sóng siêu âm tần số 50Hz vào mô tổn thương, sóng siêu âm là sóng dọc nó sẽ tác động vào mô tổn thương một lực cơ học xác định làm mô tổn thương

bị biến dạng nén theo chiều dọc và dãn theo chiều ngang Những rung động giãn theo chiều ngang sẽ tạo ra sóng rung động ngang Tùy theo độ cứng của mô mà tốc độ của sóng rung động ngang khác nhau, mô càng cứng thì tốc độ sóng rung động ngang càng tăng Đầu dò siêu âm sẽ thu nhận sóng này và mã hóa ra bằng màu sắc để tạo ta bản đồ đàn hồi mô, từ đó giúp ta lượng hóa được độ cứng của mô, đơn vị là m/s hoặc kPa

Ưu điểm của phương pháp siêu âm đàn hồi sóng biến dạng là không phụ thuộc vào người làm siêu âm

1.4 Ứng dụng siêu âm sóng biến dạng trong chẩn đoán xơ gan

Xơ hóa gan là sự tích tụ quá mức của các protein chất nền ngoại bào bao gồm cả colllagen xảy ra ở hầu hết các loại bệnh gan mãn tính Xơ hóa gan tiến triển dẫn đến xơ gan, suy gan…Xơ gan là tình trạng các tế bào gan bị tổn thương liên tục trong thời gian dài đặc trưng bởi sự thay thế mô gan bằng mô xơ, sẹo và sự thành lập các nốt tân sinh dẫn đến mất chức năng gan

Hình 1 7 Xơ gan qua các giai đoạn 4

4 https://www.vinmec.com/vi/tin-tuc/thong-tin-suc-khoe/do-xo-hoa-gan-f2-f3-co-nghia-la-gi/

Theo Metavir, xơ hóa gan được chia thành 5 mức độ, cụ thể như sau: F0: không

xơ hóa; F1: xơ hóa nhẹ, Các mô sẹo xơ hóa gan mới chỉ bắt đầu hình thành.; F2: Xơ lan tỏa đến các vùng gan quanh mạch máu, Lượng tế bào mô xơ hóa gan giai đoạn này tăng lên rất nhiều, làm gan bị suy yếu chức năng rõ rệt; F3: Xơ hóa nặng, Xơ trải rộng và có

sự kết nối giữa các vùng gan bị xơ với nhau; F4: Xơ gan hoặc xơ gan tiến triển, ở giai đoạn này tế bào gan đã bị tổn thương hoàn toàn, gan không còn hoạt động như bình thường được nữa

Mức độ xơ hóa gan liên quan trực tiếp với độ đàn hồi của gan Các mức độ xơ hóa gan ở một số bệnh gan mãn cũng đã được thống kê trong bảng 1.15

Bảng 1 1 Các mức độ xơ hóa gan (độ đàn hồi gan: kPa)

Kết quả đánh giá mức độ xơ hóa qua từng giai đoạn dựa vào thông số độ nhớt và

độ đàn hồi của gan thể hiện trong hình 1.8 và hình 1.9[15]

5 n6696