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

Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. TRẦN THỊ THÚY QUỲNH PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN HÀ NỘI - 2020 1 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. Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2020 Nguyễn Thị Hoàng Yến 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này làả s n 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 Nguyễn Thị Hoàng Yến 3 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 4 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 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng việt tắt AHI Algebraic Helmholtz Inversion Biến đổi ngược đại số Helmholtz ARF Acoustic Radiation Force Lực bức xạ âm Acoustic Radiation Force ARFI Kỹ thuật tạo hình xung lực bức xạ âm Impulse CSM Complex Shear Modulus Module Shear phức CT Computed Tomography Chụp cắt lớp vi tính FDTD Finite Difference Time Domain Sai phân hữu hạn trong miền thời gian LMS Least Mean Square Trung bình bình phương tối thiểu Maximum Likelihood Ensemble MLEF Bộ lọc tổng hợp lẽ cực đại Filter MRI Magnetic Resonance Imaging Tạo ảnh cộng hưởng từ SW Shear Wave Sóng biến dạng SWEI Shear Wave Elasticity Imaging Ảnh đàn hồi sóng biến dạng UT Ultrasound Tomography Siêu âm cắt lớp 6 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 ồh i 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 ồh i khi có phản xạ ............................................. 45 Hình 3.8 Ước lượng đàn ồh i 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 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1 Các mức độ xơ hóa gan (độ đàn ồh i 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 ....................................................................................................... 39 Bảng 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 8 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 ớư c 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 ớv i 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 làộ m t 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 ộm t 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 làộ m t 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 9 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 lýề v 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 bàyề v 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. 10 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) 푐 = 푓 × 휆 (1.1) Trong đó: c là tốc độ truyền sóng âm (m/s) 11 푓 là tần số (Hz) 휆 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) 푍 = 푐 × 𝜌 (1.2) Trong đó: 𝜌 là mật độ của môi trường (kg/m3) 푐 là vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường (m/s) Z là trở kháng âm ( N·s/m³) Trở kháng âm trong môi trường có vai trò quyết định đối với biên độ của sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường. Tại các giao diện giữa hai môi trường có độ chênh lệch lớn về trở kháng âm, ví dụ như giữa mô với khí hoặc với xương, năng lượng phản hồi gần như hoàn toàn, còn nếu độ khác biệt ít hơn, chỉ một phần năng lượng phản hồi, phần còn lại vẫn tiếp tục truyền qua. Tương tự tốc độ lan truyền, trở kháng âm lệ thuộc tính chất vật lý của mô mà sóng truyền qua. 12 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 휃푖⁄sin 휃푡 = 푐1⁄푐2 (1.3) Trong đó 휃푖 là góc tới, tạo bởi sóng tới tạo với giao diện, 휃푡 là góc khúc xạ, 푐1và 푐2 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) 2 (푍2 − 푍1) 푅 = 2 (1.4) (푍2 + 푍1) Trong đó Z2 và Z1 là trở kháng của các môi trường tạo nên giao diện. e. Hiện tượng tán xạ Hiện tượng tán xạ xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các bề mặt không đồng đều hoặc cấu trúc nhỏ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều bước sóng. Khi đó tia siêu âm bị phân tán theo các hướng khác nhau và chỉ có một phần nhỏ sóng phản hồi truyền tới được đầu dò. Hiện tượng tán xạ không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm và có vai trò quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tụy). f. Hiện tượng nhiễu xạ 13 Hiện tượng nhiễu xạ: chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản. Hiện tượng này phụ thuộc vào bước sóng, khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra. 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. 퐼푥 = 퐼0 − 2퐹푋 (1.5) Trong đó: 퐼0: là cường độ lúc ban đầu 퐼푥: 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 14 điện xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần số dòng điện và tạo thành dao động cơ học. [3] Cấu tạo cơ bản của một đầu dò siêu âm (hình 1.5) + Đầu dò siêu âm gồm nhiều chấn tử. Mỗi chấn tử gồm một tinh thể áp điện được nuôi bằng các chuỗi xung cao tần. Chiều dày của các tinh thể ảnh hưởng đến tần số đầu dò. Cứ sau mỗi xung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng phản hồi. Độ lặp lại của các chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán. + Đầu dò của máy siêu âm có nhiều dải tần số . + Các điện cực áp vào 2 mặt của tinh thể áp điện. + Lớp giảm rung để tạo ra một dao động tắt dần nhanh sau khi ngừng tác dụng xung điện. + Lớp đệm tăng cường khả năng truyền năng lượng xung siêu âm truyền ra ngoài (giảm sự hao tổn). Hình 1.5 Cấu tạo đầu dò1 Phân loại đầu dò: - Theo phương pháp quét: Các đầu dò điện tử, các đầu dò cơ khí. - Theo hình dạng vùng quét: Đầu dò Linear, đầu dò Convex, đầu dò Sector như hình 1.6. 1 https://yhocvn.net/dau-do-sieu-am-cau-tao-nguyen-ly-va-cach-lua-chon.html 15 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 16 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 tinề v khoảng cách từ cấu trúc phản xạ siêu âm đến đầu dò. Khoảng cách này được tính bằng phương trình (1.6). 푐 × 푡 퐷 = (1.6) 2 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 ạm ch 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. 17 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.vTuy 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. 18 1.2 Những kiến thức cơ bản về sự lan truyền sóng biến dạng