Luận văn Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu
ĐꢀI HꢁC QUꢂC GIA Hꢃ NꢄI
TRƯꢀNG ĐꢁI HꢂC CÔNG NGHꢃ
----------
NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN
NGHIÊN CỨU TꢁO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SÓNG
BIẾN DꢁNG TRONG MÔI TRƯꢀNG CÓ NHIỄU
LUꢄN VĂN THꢁC SĨ
CÔNG NGHꢃ KỸ THUꢄT ĐIꢃN TỬ VIỄN THÔNG
Hꢅ NꢆI - 2020
ĐꢀI HꢁC QUꢂC GIA Hꢃ NꢄI
TRƯꢀNG ĐꢁI HꢂC CÔNG NGHꢃ
----------
NGUYỄN THỊ HOÀNG YẾN
NGHIÊN CỨU TꢁO ẢNH SIÊU ÂM SỬ DỤNG SÓNG
BIẾN DꢁNG TRONG MÔI TRƯꢀNG CÓ NHIỄU
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử,Viễn thông
Chuyên ngꢅnh: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 8510302.01
LUꢄN VĂN THꢁC SĨ
CÔNG NGHꢃ KỸ THUꢄT ĐIꢃN TỬ VIỄN THÔNG
NGƯꢀI HƯỚNG DẪN KHOA HꢂC
TS. TRẦN THỊ THÚY QUỲNH
PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN
Hꢅ NꢆI - 2020
1
LꢀI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được
sự hỗ trợ, giúp đỡ vꢅ đóng góp quý báu của thầy cô, đồng nghiệp, gia đình, các bạn.
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn vꢅ 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 lꢅ người định hướng,
truyền cảm hứng, sự đam mê vꢅ ý chí quyết tâm trên con đường nghiên cứu khoa học
đầy gian khó.
Tôi cꢆng xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo chuyên ngꢅnh Kĩ thuật điện tử, Khoa
Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hꢅ Nội đã có
nhꢇng nhận xꢈt, góp ý cho luận văn nꢅy của tôi.
Tôi xin cám ơn sự hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu phát triển thuật toán tìm kiếm và
đo độ đꢅn hồi mô định lượng, ứng dụng chẩn đoán u lꢅnh vꢅ ác tính”, mã số B2020 -
SP2-02.
Cuối cꢉng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động
viên, chia sẻ nhꢇng 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
LꢀI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn nꢅy lꢅ 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 nꢅy lꢅ 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
LꢀI CẢM ƠN........................................................................................... 1
LꢀI CAM ĐOAN ..................................................................................... 2
MỤC LỤC................................................................................................. 3
PHẦN MỞ ĐẦU....................................................................................... 8
SÓNG BIẾN DꢁNG....................................................................................... 10
đoán bệnh.................................................................................................... 21
mô................................................................................................................ 26
4
CSM ............................................................................................................ 40
CSM ............................................................................................................ 40
5
DANH MỤC CꢇC Kꢈ HIꢃU Vꢅ CHꢉ VIẾT TꢊT
Từ viết
tắt
Nghĩa tiếng Anh
Nghĩa tiếng việt
AHI
ARF
Algebraic Helmholtz Inversion
Acoustic Radiation Force
Biến đổi ngược đại số Helmholtz
Lực bức xạ âm
Acoustic Radiation Force
Impulse
ARFI
Kỹ thuật tạo hình xung lực bức xạ âm
CSM
CT
Complex Shear Modulus
Computed Tomography
Finite Difference Time Domain
Least Mean Square
Module Shear phức
Chụp cắt lớp vi tính
FDTD
LMS
Sai phân hꢇu hạn trong miền thời gian
Trung bình bình phương tối thiểu
Maximum Likelihood Ensemble
Filter
MLEF
Bộ lọc tổng hợp lẽ cực đại
MRI
SW
Magnetic Resonance Imaging
Shear Wave
Tạo ảnh cộng hưởng từ
Sóng biến dạng
SWEI
UT
Shear Wave Elasticity Imaging
Ultrasound Tomography
Ảnh đꢅn hồi sóng biến dạng
Siêu âm cắt lớp
6
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.5 Cấu tạo đầu dò .......................................................................... 14
Hình 2.2 Bộ lọc LMS ................................................................................ 31
Hình 3.1 Ảnh đꢅn hồi lý tưởng ................................................................. 42
Hình 3.2 Ảnh độ nhớt lý tưởng................................................................. 42
7
DANH MỤC BẢNG
dụng bộ lọc....................................................................................................... 39
giảm dần........................................................................................................... 39
người................................................................................................................ 40
8
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ung thư lꢅ căn bệnh quái ác đang từng ngꢅy cướp đi sinh mạng của hàng ngàn
người trên thế giới. Tại Việt Nam, số người mắc ung thư đang gia tăng nhanh chóng vꢅ
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 lꢅ 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]Vꢅ 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 vꢅ 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 vꢅ 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]
Nhꢇng con số đáng báo động trên cho thấy việc tầm soát và chẩn đoán sớm bệnh
ung thư nói chung vꢅ ung thư gan nói riêng lꢅ một trong nhꢇng 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 lꢅ một trong nhꢇng tiêu chí quan trọng trong
việc quyết định điều trị, theo dõi diễn biến bệnh vꢅ tiên lượng bệnh. Trong chẩn đoán
xơ gan, sinh thiết gan được xem là tiêu chuẩn vàng. Tuy nhiên, sinh thiết lꢅ phương
pháp xâm lấn gây đau vꢅ 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 vꢅo đó sự chính xác của mẫu sinh thiết cꢆng lꢅ một vấn đề có
thể dẫn đến sự sai lệch trong đánh giá xơ gan… Nhꢇng 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 vꢅ 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 ngꢅnh siêu âm, giúp xác định độ đꢅn
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 nꢅy 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 tꢅi 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 nhꢇng 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 đꢅn 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 nhꢇng 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 hꢇu 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 đꢅn 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 nꢅy trình bꢅy nguyên lý về siêu âm chẩn đoán vꢅ nhꢇng 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 nꢅy trình bꢅy về quy trình tạo ảnh sóng biến dạng sử dụng phương pháp
sai phân hꢇu 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 nꢅy 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 PHꢇP TꢁO ẢNH SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DꢁNG
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: Lꢅ các sóng hình sin tạo bởi nhꢇng rung động cơ học
trong môi trường vật chất (có thể đꢅn 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 nhꢇng đặc điểm sau của sóng
âm.
a. Tốc độ truyền của sóng âm
Tốc độ truyền của sóng âm phụ thuộc rất nhiều vꢅo 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 vꢅ bước sóng qua phương
trình (1.1)
(1.1)
푐 = 푓 × 휆
Trong đó: c lꢅ tốc độ truyền sóng âm (m/s)
11
푓 là tần số (Hz)
휆 lꢅ 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 vꢅo 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 giꢇa
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)
(1.2)
푍 = 푐 × ꢀ
Trong đó: ꢀ 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 giꢇa hai môi trường. Tại các giao diện giꢇa hai môi trường
có độ chênh lệch lớn về trở kháng âm, ví dụ như giꢇa mô với khí hoặc với xương, năng
lượng phản hồi gần như hoꢅn toꢅn, 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:
⁄
⁄
(1.3)
sin 휃푖 sin 휃푡 = 푐1 푐2
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 vꢅ 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 vꢅo 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)
(푍2 − 푍1)2
푅 =
(1.4)
(푍2 + 푍1)2
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 vꢅo bước sóng, khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, đường kính của
nguồn phát vꢅ 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 vꢅ 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 cꢆng như bản chất của
môi trường.
(1.5)
퐼푥 = 퐼0 − 2퐹푋
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 hꢇu ích mà siêu âm có thể thu nhập thông tin. Giảm
thấu tác động lên hiệu quả xuyên thấu của sóng qua một mô nꢅo 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 nhꢇng 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 thꢅnh 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 vꢅo 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 quꢈt: Các đầu dò điện tử, các đầu dò cơ khí.
- Theo hình dạng vꢉng quꢈt: 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 chꢇ 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 vꢅ 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 vꢅ 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 nhꢇng vùng góc cạnh,
vì không khí chen vào chính giꢇa da vꢅ 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 phꢈp có được
hình ảnh với trường khảo sát rộng hơn vꢅ 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 nꢅy 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
nꢇa, hình dạng chùm tia gần như hình tam giác vꢅ độ phân giải trường gần kꢈm. Đầu dò
nꢅy thường dꢉng 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 vꢅ chất lỏng trong cơ thể - một phần hấp thụ hoặc truyền qua -
một phần phản xạ lại sóng âm vꢅ quay ngược trở lại đầu dò.
Đầu dò thu nhận tín hiệu siêu âm phản hồi từ cơ thể sau đó biến thꢅnh dòng điện.
Dòng điện này mang theo thông tin về độ chênh lệnh trở kháng giꢇa các cấu trúc mà
chꢉm tia siêu âm đã xuyên qua vꢅ thông tin về khoảng cách từ cấu trúc phản xạ siêu âm
đến đầu dò. Khoảng cách nꢅy được tính bằng phương trình (1.6).
푐 × 푡
(1.6)
퐷 =
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 mꢅ ta cần nghiên
cứu.
1.1.3 Các kiểu siêu âm
Siêu âm kiểu A (Amplitude): Ghi lại sóng phản hồi bằng nhꢇng xung nhọn, mà vị
trí tương ứng với chiều sâu vꢅ biên độ tỷ lệ thuận với cường độ của âm vang (echo).
Kiểu A ít có giá trị về chẩn đoán mꢅ thường dꢉng để đo khoảng cách, kiểm tra sự chính
xác của máy siêu âm.
Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D): Kiểu siêu âm nꢅy 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 tꢉy 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 lꢅ phương pháp siêu âm cắt lớp. Các thông tin này sẽ được thể hiện trên màn hình
thành nhꢇng chấm trắng đen xám sắp xếp theo một thứ tự nhất định tái tạo nên hình ảnh
của các cơ quan, cấu trúc mꢅ chꢉm tia đã đi qua.
Để tìm hiểu các cấu trúc có vận động trong cơ thể như tim vꢅ 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.
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 mꢅn hình quꢈt ngang thường xuyên.
Do đó nhꢇng cấu trúc đứng yên trên màn hình là một đường thẳng, còn nhꢇng cấu trúc
chuyển động là một đường cong ngoằn nghèo tùy theo sự chuyển động của cơ quan
thăm khám. [8] Siêu âm kiểu nꢅy thường dꢉng để khám tim, đo đạc các thông số siêu
âm về khoảng cách, thời gian đối với nhꢇng 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 hoꢅn, xác định hướng
của dòng máu vꢅ đánh giá lưu lượng máu. Có 3 loại Doppler: Doppler liên tục, Doppler
màu, Doppler xung. Ngꢅy nay người ta còn mã hóa các dòng chảy của siêu âm chính là
siêu âm Động-mꢅu, 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 lꢅ 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, mꢅ trong đó người ta bố trí các chấn tử
theo hình ma trận, phối hợp với phương pháp quꢈt hình theo chiều không gian nhiều mặt
cắt, các mặt cắt theo kiểu 2D nꢅy được máy tính lưu giꢇ 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 giꢇa 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.
Ngoꢅi phương pháp siêu âm chụp cắt lớp, một kỹ thuật siêu âm mới cꢆng đã vꢅ
đang được phát triển để nâng cao hiệu quả chẩn đoán hình ảnh, đó lꢅ siêu âm đàn hồi
sóng biến dạng. Phương pháp nꢅy bổ sung đặc điểm độ nhớt vꢅ độ đꢅn hồi của mô tổn
thương trên nền hình ảnh siêu âm kiểu B. Kỹ thuật siêu âm đꢅn 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
1.2.1 Khái niệm sóng biến dạng
Sóng biến dạng (shear wave - SW) hay còn gọi lꢅ sóng ngang, sóng trượt, sóng
cắt. Sóng biến dạng lꢅ 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
cꢉng 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)
E = 3ρc2
(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 đꢅn 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 đꢅn 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 cꢆng 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 vꢅ cơ chế tán xạ.
ARFI (Acoustic Radiation Force Impulse) là một phương pháp mới về siêu âm
đꢅn 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.
Tải về để xem bản đầy đủ
52 trang
15680
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu tạo ảnh siêu âm sử dụng sóng biến dạng trong môi trường có nhiễu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_tao_anh_sieu_am_su_dung_song_bien_dang_t.pdf
