TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
***
LƢU HOÀNG ANH
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ
TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP
Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hà Nội, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
***
LƢU HOÀNG ANH
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ
TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP
Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Th.S Trần Quang Huy
Hà Nội, 2018
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Trần Quang Huy,
Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo thuộc Trƣờng Đại
học Sƣ phạm Hà Nội 2 nói chung và các thầy, các cô trong khoa Vật Lý nói
riêng đã dạy dỗ tôi trong suốt bốn năm học và cung cấp cho tôi từ những kiến
thức cơ bản đến kiến thức chuyên sâu, cũng nhƣ kĩ năng thực hành, thực
nghiệm và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa luận của mình.
Qua đây, tôi cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những ngƣời
thân đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ
trong quá trình làm khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Lƣu Hoàng Anh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan khóa luận này do tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dƣới
sự hƣớng dẫn của Th.S Trần Quang Huy. Đề tài này không trùng với kết quả
của bất kì khóa luận nào trƣớc đây. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Lƣu Hoàng Anh
MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
1. Lý do chọn đề tài. ....................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu. ................................................................................. 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................. 2
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu. ............................................................................... 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu. .................................................................................. 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu. ................................................................................ 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu. ........................................................................... 2
6. Cấu trúc khóa luận ...................................................................................... 2
PHẦN 2 : NỘI DUNG.................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 3
1.1. Tổng quan về chẩn đoán hình ảnh ........................................................... 3
1.1.1.Chụp ảnh cắt lớp ...................................................................................... 3
1.1.2.Chụp cộng hƣởng từ ................................................................................ 7
1.1.3 Chụp siêu âm ............................................................................................ 9
1.2. Siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc ................................................... 17
CHƢƠNG 2. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG SIÊU
ÂM CẮT LỚP .............................................................................................. 20
2.1. Lặp vi phân born (DBIM) ...................................................................... 20
2.2. Kỹ thuật trải rộng phổ ............................................................................ 23
CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 27
3.1. Tham số mô phỏng. ............................................................................... 27
3.2. Kết quả mô phỏng.................................................................................. 27
PHẦN 3 : KẾT LUẬN CHUNG .................................................................. 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 36
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ảnh chụp cắt lớp CT sọ não ............................................................. 5
Hình 1.2: Ảnh chụp công hƣởng từ (sọ não) .................................................... 7
Hình 1.3: Đầu dò siêu âm ............................................................................... 10
Cấu hình hệ đo ............................................................................... 19
Hình 2.2: Tạo ảnh MRI: Lỗi chuẩn hóa theo tỉ số nén khi không sử dụng kỹ
thuật kích thích trải rộng phổ (đƣờng màu xanh) và khi sử dụng kỹ thuật trải
rộng phổ (đƣờng màu đen) [3] ........................................................................ 23
Hình 3.1. Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh ......................................................... 26
Hình 3.2. Hàm mục tiêu lý tƣởng ................................................................... 27
Hình 3.3. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 1 vòng lặp ......... 27
Hình 3.4. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 2 vòng lặp ......... 28
Hình 3.5. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 3 vòng lặp ......... 28
Hình 3.6. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 4 vòng lặp ......... 29
Hình 3.7. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 5 vòng lặp ......... 29
Hình 3.8. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 1 vòng lặp .. 30
Hình 3.9. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 2 vòng lặp .. 30
Hình 3.10. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 3 vòng lặp 31
Hình 3.11. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 4 vòng lặp 31
Hình 3.12. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 5 vòng lặp 32
Hình 3.13. So sánh lỗi chuẩn hóa giữa phƣơng pháp DBIM và CE-DBIM ... 33
PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Trong y học, chẩn đoán hình ảnh là một phƣơng pháp chẩn đoán cho phép các
bác sĩ có thể quan sát bằng hình ảnh các bộ phận của cơ thể một cách trực quan nhất,
từ đó đƣa ra các chẩn đoán chính xác của bệnh lý để có biện pháp điều trị hiệu quả.
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các phƣơng
tiện chẩn đoán hình ảnh không ngừng đƣợc cải tiến nhằm nâng cao độ chính xác,
tính hữu ích và ngày càng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống y học. Đặc biệt,
trong bối cảnh sự bùng nổ các căn bệnh ung thƣ, chẩn đoán hình ảnh đƣợc sử dụng
nhƣ một phƣơng pháp phát hiện sớm bệnh ung thƣ.
Một số phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh phổ biến là: chụp X - quang, chụp cắt
lớp (CT), chụp cộng hƣởng từ (MRI), siêu âm… Thời gian gần đây, siêu âm trở
thành một phƣơng pháp đang đƣợc áp dụng rộng rãi với ƣu điểm nổi trội là thực
hiện đơn giản, giá thành rẻ, không độc hại; tuy nhiên phƣơng pháp tạo ảnh truyền
thống nhƣ B-mode vẫn còn tồn tại nhƣợc điểm về chất lƣợng ảnh, ảnh sau khi đƣợc
tái tạo chƣa rõ nét đƣợc, ảnh hƣởng đến chất lƣợng, gây khó khăn cho việc chẩn
đoán bệnh. Do đó, phƣơng pháp tạo ảnh cắt lớp bắt đầu đƣợc quan tâm do đáp ứng
đƣợc yêu cầu về chất lƣợng và độ chính xác, nhƣng phƣơng pháp này chƣa có nhiều
ứng dụng trong thƣơng mại do còn gặp một số khuyết điểm trong đó phải kể đến
chất lƣợng và tốc độ tính toán.
Tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc dựa trên hai nguyên lý hoạt
động là lặp Born (Born Iterative Method - BIM) và lặp vi phân Born (Distorted Born
Iterative Method - DBIM), đây là hai phƣơng pháp đƣợc cho là tốt nhất hiện nay cho
tạo ảnh tán xạ. Trong đó, lặp vi phân Born có ƣu điểm là tốc độ hội tụ nhanh và là
phƣơng pháp tác giả lựa chọn để cải tiến. Luận văn này đề xuất phƣơng pháp sử
dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ để cải tiến phƣơng pháp DBIM truyền thống
(có thể áp dụng đƣợc cả với BIM) giúp cho ảnh tạo đƣợc có chất lƣợng tốt hơn hẳn
phƣơng pháp ban đầu, cùng với lỗi chuẩn hóa giảm thiểu đáng kể khi tỉ số nén tăng 1
dần, đặc biệt khi tỉ số nén càng lớn thì lỗi chuẩn hóa càng giảm. Với những kết quả
thu đƣợc qua những thực nghiệm mô phỏng đã chứng minh phƣơng pháp đề xuất
cho kết quả tốt, chất lƣợng ảnh đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng kỹ thuật trải rộng
phổ.
Xuất phát từ điều đó tôi đã chọn đề tài “Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ
trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp” .
2. Mục đích nghiên cứu.
Đề tài này sẽ nghiên cứu về phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật kích thích trải
rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp giúp cho chất lƣợng ảnh cải thiện đáng kể so
với phƣơng pháp DBIM thông thƣờng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu.
Mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp, mô hình CE-DBIM.
3.2. Phạm vi nghiên cứu.
Lĩnh vực tạo ảnh siêu âm cắt lớp ứng dụng trong chẩn đoán y khoa.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu.
- Nghiên cứu kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp.
- So sánh kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp với phƣơng
pháp DBIM thông thƣờng.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Lí thuyết kết hợp với mô phỏng.
6. Cấu trúc khóa luận
Phần 1: Mở đầu
Phần 2: Nội dung
- Chƣơng 1: Tổng quan
- Chƣơng 2 : Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong siêu âm cắt lớp
- Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận
2
PHẦN 2 : NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chẩn đoán hình ảnh.
Chẩn đoán hình ảnh hay chẩn đoán bệnh thông qua hình ảnh là phƣơng pháp
quan trọng giúp cho bác sĩ và ngƣời bệnh hiểu rõ về hình thái, chức năng, cấu tạo
sinh lý của cơ thể, để từ đó đƣa ra những phƣơng án phòng ngừa và điều trị bệnh
một cách hiệu quả nhất. Một số phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh phổ biến hiện nay
nhƣ: X - quang, chụp cắt lớp - CT (Computed Tomography), cộng hƣởng từ - MRI
(Magnetic Resonance Imaging), siêu âm (Ultrasound),…
1.1.1. Chụp ảnh cắt lớp.
CT là từ viết tắt của Computed Tomography có nghĩa là “chụp ảnh các lát cắt
bằng tính toán”, CT có khả năng tạo hình ảnh “xuyên qua” cơ thể bệnh nhân. CT
còn có tên gọi khác là CAT (Computed axial tomography).
Lịch sử
Chụp cắt lớp vi tính (CLVT) hay còn gọi là chụp CT scanner (CT), là kỹ thuật
đƣợc phát minh bởi nhà vật lý ngƣời Anh Godfrey Hounsfield và bác sĩ Allan
Cormack vào năm 1972. Vào năm 1979, Hounsfied và Cormack đƣợc nhận giải
Nobel vật lý nhờ những ứng dụng của CT trong y học và khoa học.
Máy CT đầu tiên đƣợc đƣa vào ứng dụng trong lâm sàng vào năm 1974-1976,
lúc này máy CT chỉ đƣợc dùng để chụp sọ não, thời gian chụp một lát cắt mất vài
giờ. Từ những năm 80 trở về sau, CT đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn trong lâm sàng,
đƣợc áp dụng cho tất cả các bộ phận trong cơ thể, thời gian chụp nhanh hơn và chất
lƣợng hình ảnh cao hơn.
Các thế hệ máy CT không ngừng đƣợc cải tiến, từ máy một lát cắt, đến thế hệ
máy chụp xoắn ốc (Spiral CT) đến thế hệ máy đa lát cắt (2, 4, 6….320, 640 lát cắt)
3
và máy chụp CT năng lƣợng kép (Dual-CT). Hiện nay, trên thế giới có trên 30.000
máy CT đƣợc lắp đặt.
Ứng dụng
Ngày nay, CT đƣợc ứng dụng rộng rãi trên lâm sàng để phát hiện bệnh lý từ
sọ não, đầu mặt cổ, tim, ngực, bụng, chậu, xƣơng, mô mềm cho đến bệnh lý mạch
máu não, cổ, mạch máu chi và các mạch máu tạng khác. CT còn đƣợc dùng để
hƣớng dẫn phẫu thuật, xạ trị, theo dõi sau phẫu thuật. Kỹ thuật 3D-CT cho phép
đánh giá chính xác vị trí tổn thƣơng trong không gian 3 chiều, từ đó định hƣớng tốt
cho phẫu thuật cũng nhƣ xạ trị. Kỹ thuật này còn dùng để tái tạo 3D trong các bệnh
lý bất thƣờng bẩm sinh, giúp cho các nhà phẫu thuật tạo hình chỉnh sửa tốt hơn các
dị tật bẩm sinh.
Sơ lƣợc về nguyên lý
Khi chụp X - quang, bệnh nhân đứng giữa một máy phát tia X và một tấm
phim. Tia X có bản chất giống với ánh sáng - cùng là sóng điện từ, nhƣng có bƣớc
sóng rất nhỏ, năng lƣợng lớn nên có khả năng đâm xuyên rất mạnh. Khi tia X đi qua
cơ thể ngƣời, nó sẽ bị các cơ quan trong cơ thể hấp thụ một phần. Năng lƣợng tia X
giảm tuân theo định luật Beer :
I = I0 exp(-μx), (1.1)
Trong đó: I0 , I là năng lƣợng tia X tới và sau khi đi qua vật hấp thu; μ là hệ số
suy giảm tuyến tính của vật liệu, đặc trƣng cho khả năng làm suy giảm năng lƣợng
tia X của vật chất và x là chiều dày của vật hấp thu tia X.
Các bộ phận khác nhau trong cơ thể hấp thụ tia X khác nhau . Vì vậy, chùm
tia X khi đi ra khỏi cơ thể sẽ gồm các tia có năng lƣợng khác nhau, mức độ tác động
lên phim khác nhau nên trên phim sẽ có các vùng sáng tối mô tả các cơ quan bên
trong cơ thể ngƣời chụp.
4
CT cũng dùng tia X nhƣng có nhiều điểm khác biệt và phức tạp hơn chụp X -
quang thông thƣờng. Một chùm tia X đƣợc sử dụng “cắt” ngang qua cơ thể ngƣời
chụp. Ở phía bên kia, thay vì đặt một tấm phim, ngƣời ta dùng các máy thu để ghi lại
tín hiệu này. Tia X và máy thu sẽ quay xung quanh ngƣời chụp nhƣng quỹ đạo quay
vẫn nằm trên một mặt phẳng để lấy dữ liệu thô (raw data) về lát cắt này. Dữ liệu thô
sau đó đƣợc tính toán và biến đổi bằng toán học để chuyển thành dữ liệu hình ảnh
cho ta quan sát.
Hiện nay, hầu hết các máy CT đều có phần mềm tái tạo hình ảnh 3D từ các lát
cắt. Các phần mềm này cho phép bác sỹ quan sát các cơ quan bên trong cơ thể theo
mọi hƣớng, có thể cắt lại trên nhiều hƣớng khác nhau [1].
Ƣu điểm và nhƣợc điểm
Ngày nay, CT đƣợc ứng dụng rộng rãi trong khám lâm sàng để phát hiện bệnh
lý từ sọ não, đầu mặt cổ, tim, ngực, bụng, chậu, xƣơng, mô mềm cho đến bệnh lý
mạch máu não, cổ, mạch máu chi và các mạch máu tạng khác. CT còn đƣợc dùng để
hƣớng dẫn phẫu thuật, xạ trị và theo dõi sau phẫu thuật. Kỹ thuật 3D-CT cho phép
đánh giá chính xác vị trí tổn thƣơng trong không gian 3 chiều, từ đó định hƣớng tốt
cho phẫu thuật cũng nhƣ xạ trị .
Hình 1.1: Ảnh chụp cắt lớp CT sọ não
5
* Các ƣu điểm của kỹ thuật CT là:
- Hình ảnh rõ nét do không có hiện tƣợng nhiều hình chồng lên nhau.
- Khả năng phân giải những hình ảnh mô mềm cao hơn nhiều so với X - quang.
- Thời gian chụp nhanh, cần thiết trong khảo sát, đánh giá các bệnh cấp cứu và khảo
sát các bộ phận di động trong cơ thể (phổi, tim, gan, ruột…).
- Độ phân giải không gian đối với xƣơng cao nên rất tốt để khảo sát các bệnh lý
xƣơng.
- Kỹ thuật dùng tia X, nên có thể dùng để chụp cho những bệnh nhân có chống chỉ
định chụp cộng hƣởng từ (Đặt máy tạo nhịp, van tim kim loại, máy trợ thính cố định,
di vật kim loại…).
* Kỹ thuật CT cũng tồn tại những nhƣợc điểm, cụ thể là:
- Do khả năng đâm xuyên mạnh của tia X nên CT khó phát hiện các tổn thƣơng phần
mềm hơn là MRI.
- CT khó phát hiện đƣợc các tổn thƣơng sụn khớp, dây chằng và tổn thƣơng tủy
sống.
- Những cơ quan và tổn thƣơng có cùng độ đậm thì khó phát hiện và khó phân biệt
trên CT.
- Độ phân giải hình ảnh của CT thấp hơn MRI, nhất là các cấu trúc mô mềm, vì vậy
CT khó phát hiện các tổn thƣơng có kích thƣớc nhỏ.
- CT là kỹ thuật dùng tia X và gây nhiễm xạ. Mức độ nhiễm xạ mỗi lần chụp đều
nằm trong giới hạn cho phép.
1.1.2. Chụp cộng hƣởng từ.
Chụp cộng hƣởng từ (MRI) là một phƣơng pháp thu hình ảnh của các cơ quan
trong cơ thể sống và quan sát lƣợng nƣớc bên trong các cấu trúc của các cơ quan.
6
Ảnh của các mô mềm trong cơ thể tạo ra từ cộng hƣởng từ rõ nét hơn so với ảnh từ
các phƣơng pháp khác.
Nguyên lý
Dựa vào nguyên tắc cấu tạo của nguyên tử và các mômen tạo ra từ electron và
proton. Cơ thể con ngƣời cấu tạo chủ yếu từ nƣớc (60-70%) mà trong thành phần
của phân tử nƣớc luôn có nguyên tử hydro. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là
một nguyên tử đặc biệt, hạt nhân chỉ chứa 1 proton, do đó, nó có một mômen từ lớn.
Từ điều này dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử
hydro để ghi nhận sự phân bố nƣớc khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta
có thể ghi hình và phân biệt đƣợc các mô đó. Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các
tổn thƣơng bệnh lý dẫn đến sự thay đổi phân bố nƣớc tại vị trí tổn thƣơng, dẫn đến
hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình đƣợc các
thƣơng tổn.
Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trƣờng mạnh và một hệ thống
phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên
tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nƣớc của cơ thể, nhằm bức
xạ năng lƣợng dƣới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ đƣợc
một hệ thống thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tƣợng vừa đƣợc
đƣa vào từ trƣờng đó [7].
Hình 1.2: Ảnh chụp công hƣởng từ (sọ não)
7
* Các ƣu điểm của kỹ thuật MRI là:
- Bệnh nhân không bị ảnh hƣởng bởi tia xạ.
- Bệnh nhân không bị ảnh hƣởng gì về mặt sinh học.
- Thu đƣợc hình chụp đa mặt phẳng: coronal, axial, sagittal hay bất kỳ mặt phẳng
nghiêng nào.
- Độ phân giải mô mềm cao.
- Hiển thị đặc điểm mô tốt hơn so với CT.
- Chụp đƣợc MRA kể cả khi không dùng chất tƣơng phản.
- Là kĩ thuật hình ảnh không xâm lấn.
- Chất tƣơng phản tác dụng phụ rất hiếm.
* MRI còn tồn tại một số nhƣợc điểm:
- Giá thành cao.
- Không dùng đƣợc nếu bệnh nhân bị chứng sợ nơi chật hẹp hay đóng kín.
- Thời gian chụp lâu: gặp khó khăn nếu bệnh nhân nặng hay không hợp tác.
- Vỏ xƣơng và tổn thƣơng có calci khảo sát không tốt bằng XQ, CT.
- Thời gian đào tạo chuyên môn dài.
- Không thể chụp bệnh nhân với máy tạo nhịp tim, các clip phẫu thuật, mô cấy ở mắt
hay tai,…
- Không thể mang theo thiết bị hồi sức vào phòng chụp.
1.1.3 Chụp siêu âm.
Siêu âm là một loại dao động cơ học đƣợc truyền đi trong một môi trƣờng vật
8
chất nhất định. Năng lƣợng cơ học này tác động vào các phân tử vật chất của môi
trƣờng làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, tạo thành sóng lan truyền cho
tới khi hết năng lƣợng. Chính vì vậy siêu âm không thể truyền ở môi trƣờng chân
không nhƣ các sóng điện từ .
Dựa theo tần số, âm thanh đƣợc chia thành 3 loại: (1) Những âm thanh có tần
số nhỏ hơn 16 Hz mà tai ngƣời không thể nghe đƣợc là hạ âm; (2) Các sóng âm có
dải tần từ 16 Hz đến 20.000 Hz đƣợc gọi là âm nghe đƣợc; (3) Siêu âm là âm thanh
có tần số trên 20.000 Hz. Nhƣ vậy về bản chất siêu âm cũng không có gì khác với
các dao động cơ học khác và nó cũng đƣợc đặc trƣng bởi một số đại lƣợng vật lý
nhƣ: tần số, biên độ, chu kỳ...
Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn. Đơn vị thƣờng đƣợc
tính bằng đơn vị đo thời gian (s, ms...). Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh
cao nhất và thấp nhất. Tần số (f) là số chu kỳ dao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz.
Bƣớc sóng (λ) là độ dài của 1 chu kỳ dao động. Bƣớc sóng thƣờng đƣợc đo bằng
đơn vị đo chiều dài nhƣ mm, cm.
Tốc độ siêu âm (c) là quãng đƣờng mà chùm tia siêu âm đi đƣợc trong 1 đơn
vị thời gian, thƣờng đƣợc đo bằng m/s. Tốc độ siêu âm không phụ thuộc vào công
suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi trƣờng truyền âm. Những môi
trƣờng có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi lớn siêu âm truyền tốc độ cao và ngƣợc
lại những môi trƣờng có mật độ phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ. Ví dụ xƣơng từ 2700 -
4100 m/s; tổ chức mỡ 1460 - 1470 m/s; gan 1540 - 1580 m/s; phổi 650 - 1160 m/s;
cơ 1545 - 1630m/s; nƣớc 1480m/s... Trong siêu âm chẩn đoán, ngƣời ta thƣờng lấy
giá trị trung bình của tốc độ siêu âm trong cơ thể là 1540m/s. Giữa tốc độ truyền âm,
bƣớc sóng và tần số có mối liên hệ qua phƣơng trình sau :
c = λ. f (1.2)
Năng lƣợng siêu âm (P) biểu thị mức năng lƣợng mà chùm tia siêu âm truyền
vào cơ thể. Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm chẩn đoán để đảm
9
bảo an toàn, các máy thƣờng phát với mức năng lƣợng thấp vào khoảng 1MW đến
10MW. Tuy nhiên, trong các kiểu siêu âm thì siêu âm Doppler thƣờng có mức năng
lƣợng cao hơn. Ở các máy siêu âm hiện đại, ngƣời sử dụng có thể chủ động thay đổi
mức phát năng lƣợng để nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với
thai nhi và trẻ em [6].
Nguyên lý cấu tạo máy siêu âm
Máy siêu âm đƣợc cấu thành từ 2 bộ phận chính đó là đầu dò và bộ phận xử lý
trung tâm và một số bộ phận hỗ trợ.
Đầu dò siêu âm
Hình 1.3: Đầu dò siêu âm
Đầu dò (Transducer - Probe): làm nhiệm vụ vừa phát vừa thu sóng âm phản
hồi. Nó bao gồm một hoặc nhiều miếng gốm áp điện (piezo-eletric), khi có dòng
điện xoay chiều tần số cao kích thích vào miếng gốm này làm cho nó co giãn và phát
ra xung siêu âm. Ngƣợc lại khi miếng áp điện rung lên do sóng siêu âm dội trở về sẽ
tạo ra một xung động. Sóng siêu âm lan truyền vào các mô trong cơ thể, gặp các mặt
phẳng sẽ gặp các sóng âm dội trở về. Mỗi âm dội mà đầu dò thu nhận đƣợc sẽ
chuyển thành tín hiệu điện, từ tín hiệu này sẽ đƣợc xử lý và chuyển thành tín hiệu
trên màn hình, và tất cả chùm sóng âm quét tạo nên hình ảnh siêu âm. Tùy vào chức
năng và tần số khảo sát, hãng sản xuất, các loại đầy dò có hình dạng và kích thƣớc
10
khác nhau. Các đầu dò quét đƣợc nhờ một hệ thống cơ khí hay điện tử, với chùm
thăm dò theo hình chữ nhật hay rẽ quạt.
- Đầu dò quét cơ học: Trong đầu dò có bộ chuyển động đƣợc gắn với tinh thể
gốm áp điện hoặc một tấm gƣơng phản âm. Chức năng của bộ này giống nhƣ một bộ
đèn pha quét ánh sáng chùm đơn, chuyển động nhờ một bánh xe hoặc một chuyển
động kế. Các dao động sóng sẽ phản chiếu nhờ tấm gƣơng.
- Đầu dò quét điện tử: Các tinh thể gốm áp điện đƣợc xếp thành một dãy theo
chiều ngang (tuyến tính), đƣợc mở ra một cửa sổ (aperture) nhỏ lớn phụ thuộc vào
số lƣợng tinh thể, chiều rộng của chùm sóng âm khi phát ra.
Một số loại đầu dò phổ biến nhƣ đầu dò Convex (dò tổng quát), đầu dò Linear
(khảo sát phần nông), đầu dò tim (khảo sát tim mạch), đầu dò âm đạo (sản phụ
khoa)… Đa số các siêu âm đƣợc thực hiện với đầu dò bên ngoài da, một số loại siêu
âm thực hiện bên trong cơ thể (invasive ultrasound). Trong trƣờng hợp này,đầu dò
đƣợc gắn vào một que đo và đƣợc đƣa vào bên trong bằng các con đƣờng mở tự
nhiên. Một số siêu âm thuộc loại này bao gồm :
+ Transesophageal echocardiogram (siêu âm tim qua thực quản): đầu dò đƣợc
đƣa vào bên trong thực quản để thu các hình ảnh của tim.
+ Transrectal ultrasound (siêu âm qua trực tràng): đầu dò đƣợc đƣa vào bên
trong hậu môn để quan sát trực tràng, tuyến tiền liệt.
+ Transvaginal ultrasound (siêu âm qua âm đạo): đầu dò đƣợc đƣa vào bên
trong âm đạo để quan sát tử cung và buồng trứng.
Bộ phận xử lý tín hiệu và thông tin.
Tín hiệu siêu âm phản hồi từ cơ thể đƣợc đầu dò thu nhận, 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 (khi độ chênh lệch trở kháng giữa hai cấu
trúc càng lớn, năng lƣợng của chùm tia siêu âm phản xạ càng cao, sẽ tạo ra dòng điện
xoay chiều càng lớn) và thông tin về khoảng cách từ cấu trúc phản xạ siêu âm đến
đầu dò. Khoảng cách này đƣợc tính bằng công thức:
11
(1.3)
Trong đó: D là khoảng cách, c là tốc độ siêu âm trong cơ thể, t là thời gian từ
khi phát xung đến khi nhận xung.
Những tín hiệu này sau khi xử lý 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. Ngoài
ra, máy siêu âm còn chứa phần mềm, cho phép đo đạc tính toán các thông số nhƣ
khoảng cách, diện tích, thể tích, thời gian... theo không gian 2 chiều, 3 chiều. Từ
những thông tin này kết hợp với những chƣơng trình đã đƣợc tính toán sẵn sẽ cung
cấp cho chúng ta những thông tin cao hơn. Ví dụ, từ đƣờng kính lƣỡng đỉnh thai nhi,
có thể dự kiến ngày sinh, trọng lƣợng thai... Hoặc từ thể tích thất trái cuối kỳ tâm
trƣơng, tâm thu, chúng ta sẽ biết đƣợc thể tích nhát bóp, cung lƣợng tim...
Những thông tin về cấu trúc và chức năng của các cơ quan sẽ đƣợc hiển thị
trên màn hình, đồng thời cũng có thể đƣợc lƣu trữ lại trong các bộ phận ghi hình và
có thể nối mạng với các phƣơng tiện khác [8].
Các kiểu siêu âm
Siêu âm kiểu A: Đây là kiểu siêu âm cổ điển nhất, ngày nay chỉ còn sử dụng
trong phạm vi hẹp, nhƣ chuyên khoa mắt với mục đích đo khoảng cách, vì nó rất
chính xác trong chức năng này. Các tín hiệu thu nhận từ đầu dò đƣợc biến thành
những xung có đỉnh nhọn, theo nguyên tắc biên độ của sóng siêu âm phản xạ càng
lớn, biên độ của xung càng cao và ngƣợc lại. nhƣ vậy trên màn hình chúng ta không
nhìn thấy hình ảnh mà chỉ thấy các xung. Thời gian xuất hiện các xung sẽ phản ánh
chính xác khoảng cách từ các vị trí xuất hiện sóng siêu âm phản xạ.
Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D) : Hay còn gọi là siêu âm 2 bình diện, kiểu
siêu âm này hiện nay đang đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các chuyên
khoa.Có thể nói chính siêu âm 2D là một cuộc cách mạng trong ngành siêu âm chẩn
12
đoán. Vì đây là lần đầu tiên chúng ta có thể nhìn đƣợc các cấu trúc bên trong của cơ
thể và sự vận động của chúng, chính vì vậy nó đã mở ra thời kỳ ứng dụng rộng rãi
của siêu âm trên lâm sàng. Nguyên lý của siêu âm 2D nhƣ sau: những tín hiệu siêu
âm phản xạ đƣợc đầu dò tiếp nhận sẽ biến thành dòng điện xoay chiều, dòng điện
này sẽ mang theo 2 thông tin về mức độ chênh lệch trở kháng tại biên giới giữa các
cấu trúc khác nhau và khoảng cách của các cấu trúc này so với đầu dò. Dòng điện
sau đó đƣợc xử lý biến thành các chấm sáng có mức độ sáng khác nhau tuỳ theo
dòng điện lớn hay nhỏ và vị trí của chúng theo đúng khoảng cách từ đầu dò đến mặt
phân cách có phản hồi âm. nhƣ vậy các thông tin này sẽ đƣợc thể hiện trên màn hình
thành vô vàn những chấm sáng với cƣờng độ khác nhau, đƣợc 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 nghiên cứu các cấu trúc có vận động trong cơ thể nhƣ tim và các mạch máu
ngƣời ta chế tạo các đầu dò có thể ghi lại rất nhiều hình ảnh vận động của chúng ở
các thời điểm khác nhau trong một đơn vị thời gian ( > 24 hình/ giây ) và nhƣ vậy
những vận động của các cơ quan này sẽ đƣợc thể hiện liên tục giống nhƣ vận động
thực của nó trong cơ thể và ngƣời ta gọi là siêu âm hình ảnh thời gian thực ( real
time). Tất cả các máy siêu âm hiện nay đều là hình ảnh thời gian thực.
Siêu âm kiểu TM : Để đo đạc các thông số siêu âm về khoảng cách, thời gian
đối với những cấu trúc có chuyển động, nhiều khi trên siêu âm 2D gặp nhiều khó
khăn. Do đó để giúp cho việc đo đạc dễ dàng hơn ngƣời ta đa ra kiểu siêu âm M-
Mode hay còn gọi là TM ( Time motion ), đó là kiểu siêu âm vận động theo thời
gian, ở đó chùm tia siêu âm đƣợc cắt ở một vị trí nhất định, trục tung của đồ thị biểu
hiện biên độ vận động của các cấu trúc, trục hoành thể hiện thời gian. nhƣ vậy
những cấu trúc không vận động sẽ thành những đƣờng thẳng, còn những cấu trúc
vận động sẽ biến thành những đƣờng cong với biên độ tuỳ theo mức độ vận động
của các cấu trúc này. Sau đó khi dừng hình chúng ta có thể dễ dàng đo đƣợc các
thông số về khoảng cách, biên độ vận động, thời gian vận động...Kiểu TM đƣợc sử
dụng nhiều trong siêu âm tim mạch.
13
Siêu âm Doppler màu: Đó là sự thay đổi tần số của sóng khi có sự dịch
chuyển tƣơng quan giữa nguồn phát sóng và ngƣời quan sát, tần số sóng phản hồi
tăng lên khi nguồn phát sóng hoặc ngƣời quan sát tiến lại gần nhau, tần số này sẽ
giảm xuống trong trƣờng hợp ngƣợc lại.
Dùng hiệu ứng Doppler của siêu âm để đo tốc độ tuần hoàn, xác định hƣớng
của dòng máu và đánh giá lƣu lƣợng máu. Có 3 loại Doppler: Doppler liên tục,
Doppler xung, Doppler màu, ngƣời ta thƣờng phối hợp hệ thống Doppler với siêu
âm cắt lớp theo thời gian thật gọi là siêu âm DUPLEX. Ngày nay ngƣời ta còn mã
hóa các dòng chảy của siêu âm chính là siêu âm Doppler màu, siêu âm Doppler năng
lƣợng (Power Doppler), siêu âm tổ chức (tissue doppler) và siêu âm chiều rất tiện
cho việc thăm khám Tim-Mạch, sản khoa.
Siêu âm kiểu 3D: Trong những năm gần đây siêu âm 3D đã đƣợc ứng dụng
rất rộng rãi, chủ yếu ở lĩnh vực sản khoa. Hiện nay có 2 loại siêu âm 3D, đó là loại
tái tạo lại hình ảnh nhờ các phƣơng pháp dựng hình máy tính và một loại đƣợc 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 ngƣời ta bố trí các chấn tử nhiều hơn theo hình ma trận, phối hợp
với phƣơng pháp quét hình theo chiều không gian nhiều mặt cắt, các mặt cắt theo
kiểu 2D này đƣợc máy tính lƣu giữ lại và dựng thành hình theo không gian 3 chiều.
Ngày nay có một số máy siêu âm thế hệ mới đã có siêu âm 3 chiều cho cả tim mạch,
tuy nhiên ứng dụng của chúng còn hạn chế do kỹ thuật tƣơng đối phức tạp và đặc
biệt là giá thành cao [1].
Ưu điểm:
- Hầu hết các kỹ thuật siêu âm đều không gây đau đớn, tổn hại sức khỏe cho bệnh
nhân.
- Siêu âm đƣợc ứng dụng rộng rãi, dễ dàng và ít tốn kém hơn những thiết bị hình
ảnh khác.
- Siêu âm không dùng tia xạ ion hóa.
14
- Siêu âm có thể cho thấy hình ảnh rõ ràng của các mô mềm vốn thể hiện không tốt
trên hình X – quang.
- Siêu âm không gây ra những vấn đề nào về sức khỏe và có thể thực hiện lập đi lập
lại ở mức độ cần thiết.
- Siêu âm là phƣơng pháp khảo sát hình ảnh ƣa thích để chẩn đoán và theo dõi ở
những phụ nữ mang thai và thai nhi.
- Siêu âm cung cấp hình ảnh theo thời gian thực nên trở thành một công cụ tốt để
hƣớng dẫn cho các thủ thuật xâm lấn tối thiểu chẳng hạn nhƣ tiêm cortisone, sinh
thiết bằng kim, dùng kim hút các dịch trong khớp hoặc ở những nơi khác trên cơ thể.
Nhược điểm:
- Siêu âm gặp khó khăn đối với những xƣơng có lỗ (chẳng hạn nhƣ rất khó siêu âm
đối với não ngƣời lớn).
- Siêu âm sẽ cho hình ảnh rất xấu nếu nhƣ có khí giữa bộ chuyển đổi và cơ quan
đƣợc khảo sát do có sự khác biệt rất lớn về độ kháng âm. Chẳng hạn nhƣ nếu có khí
nằm trong đƣờng tiêu hóa sẽ làm cho việc siêu âm tụy sẽ trở nên khó khăn và siêu
âm phổi là việc không thể thực hiện đƣợc.
- Ngay cả khi không có sự hiện diện của xƣơng và khí thì độ xuyên thấu của sóng
siêu âm cũng có giới hạn dẫn đến việc muốn siêu âm những cấu trúc sâu bên trong
cơ thể sẽ trở nên khó khăn, đặc biệt là ở những ngƣời bị béo phì.
- Phụ thuộc rất nhiều vào ngƣời đứng máy. Do đó nếu nhƣ ngƣời đứng máy có trình
độ cao và nhiều kinh nghiệm thì mới có thể cho đƣợc hình ảnh có chất lƣợng tốt và
chẩn đoán chính xác.
- Không có scout image nhƣ CT và MRI. Do đó một khi hình ảnh đã đƣợc ghi nhận
thì không có cách nào biết đƣợc chính xác là phần nào của cơ thể đang đƣợc khảo
sát.
Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm
Siêu âm (ultrasound) là một phƣơng pháp khảo sát hình ảnh học bằng cách
cho một phần của cơ thể tiếp xúc với sóng âm có tần số cao để tạo ra hình ảnh bên
15
trong cơ thể. Do hình ảnh siêu âm đƣợc ghi nhận theo thời gian thực nên nó có thể
cho thấy hình ảnh cấu trúc và sự chuyển động của các bộ phận bên trong cơ thể kể cả
hình ảnh dòng máu đang chảy trong các mạch máu. Tạo ảnh siêu âm không chỉ an
toàn về bức xạ ion mà còn cho hiệu quả về mặt chi phí giá thành.
Kỹ thuật tạo ảnh âm thanh đã đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng từ rất
sớm khi mà có sự phát triển của sonar vào khoảng 1910. Một trong những ứng dụng
to lớn nhất trên cơ sở sử dụng nguyên lý kỹ thuật sonar là tạo ảnh B- mode, một ứng
dụng trong tạo ảnh y tế . Ảnh B-mode là kết quả của sự thay đổi trong hàm cản trở
âm thanh, cái mà thay đổi trong các môi trƣờng khác nhau. “Độ phân giải không
gian” trên bậc của một bƣớc sóng có thể thu đƣợc bằng sử dụng các mảng (arrays)
và tập trung cao vào các phần tử chuyển đổi đơn (“độ phân giải không gian” là
khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vật phản xạ mà chúng có thể phân biệt rõ tín hiệu dội
trên màn hiển thị. Độ phân giải không gian đƣợc chia thành độ phân giải ngang, độ
phân giải dọc trục và slice thickness). Mặc dù chất lƣợng hình ảnh có thể xấu đi do
sự sai lệch pha và biên độ , nhƣng hình ảnh tạo thành là đơn giản và tin cậy. Tuy
nhiên, do tính chất tự nhiên của nó mà chuẩn đoán y tế sử dụng tạo ảnh B-mode
thông thƣờng là chủ quan và phụ thuộc vào chuyên môn và kinh nghiệm của ngƣời
điểu khiển. Kỹ thuật tạo ảnh B-mode còn mắc một nhƣợc điểm lớn đó là chất lƣợng
hình ảnh còn hạn chế, không thể phát hiện đƣợc các khối u nhỏ hơn bƣớc sóng.
1.2. Siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc.
Để khắc phục những nhƣợc điểm trên của kỹ thuật tạo ảnh B-mode, những
năm đầu của thập kỷ 70 thế kỷ trƣớc, ngƣời ta đã đƣa ra khái niệm siêu âm cắt lớp
sử dụng tán xạ ngƣợc. Khái niệm này dựa trên cơ sở lý thuyết sử dụng X - quang và
cắt lớp hạt nhân. Siêu âm cắt lớp cho chất lƣợng hình ảnh tốt hơn phƣơng pháp
truyền thống B-mode và có khả năng phát hiện đƣợc vật thể có kích thƣớc nhỏ hơn
bƣớc sóng đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng.
Khi một tia tới sóng âm gặp một môi trƣờng không đồng nhất thì một phần
năng lƣợng sẽ bị tán xạ theo mọi hƣớng. Bài toán chụp cắt lớp siêu âm bao gồm ƣớc
16
lƣợng sự phân bố của các tham số (tốc độ âm thanh, sự suy giảm âm, mật độ và
những thứ khác) tán xạ cho một tập các giá trị đo của trƣờng tán xạ bằng việc giải
ngƣợc các phƣơng trình sóng. Vì thế, chụp cắt lớp siêu âm cho thấy định lƣợng
thông tin của vật thể dƣới sự khảo sát hay kiểm tra.
Phƣơng pháp siêu âm cắt lớp dùng tán xạ ngƣợc cho phép tạo ảnh có lợi thế
hơn nhiều so với phƣơng pháp chụp X - quang, chụp CT, chụp ảnh cộng hƣởng từ.
Hoạt động của nó dựa trên sự tán xạ ngƣợc và có khả năng giải quyết những cấu trúc
nhỏ hơn bƣớc sóng của sóng tới, nó trái ngƣợc với phƣơng pháp tạo ảnh truyền
thống sử dụng phƣơng pháp phản hồi. Một số tính chất vật liệu nhƣ độ tƣơng phản
âm thanh, độ suy hao, mật độ đƣợc ứng dụng để tìm ra các đối tƣợng có kích thƣớc
nhỏ. Phƣơng pháp lặp Born (Born Iterative Method - BIM) và lặp vi phân Born
(Distorted Born Iterative Method - DBIM) là hai phƣơng pháp đƣợc cho là tốt nhất
hiện nay cho tạo ảnh tán xạ.
Tuy nhiên, tán xạ ngƣợc gặp phải một số hạn chế. Đầu tiên, phƣơng pháp tán
xạ ngƣợc gặp phải vấn đề về hội tụ khi tái tạo lại đối tƣợng với “độ tƣơng phản” lớn
(độ tƣơng phản quyết định bởi tính chất của môi trƣờng, biểu hiện bởi sự tán xạ âm
thanh nhiều hay ít, chính là chênh lệch tốc độ truyền sóng giữa 2 môi trƣờng). Ràng
buộc này cho đến nay đã hạn chế những ứng dụng tán xạ ngƣợc áp dụng cho việc tạo
ảnh vùng ngực .
Thứ hai, số liệu tán xạ phải thu thập ở rất nhiều góc khác nhau từ 00 đến 3600
để thu đƣợc chất lƣợng chụp tốt. Đó cũng là lý do mà nghiên cứu chụp tán xạ ngƣợc
siêu âm lại tập trung vào tạo ảnh vùng ngực, để bao trùm đƣợc đầy đủ số liệu, việc
tạo ảnh ở tần số tƣơng đối cao (lên đến 5 MHz). Trong trƣờng hợp tạo ảnh vú, góc
bao phủ đầy đủ thu đƣợc bằng cách cho vùng vú đó vào trong nƣớc, cách này đƣợc
sử dụng cho các cặp vợ chồng siêu âm khối u.
Cuối cùng, hạn chế của chụp siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc là tốc độ
tính toán và chất lƣợng ảnh tái tạo. Phƣơng pháp chụp cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc
đƣợc đánh giá là cho kết quả chính xác và khả quan hơn các phƣơng pháp chụp siêu
17
âm trƣớc đây nhƣng vấn đề về tốc độ tính toán là một trở ngại lớn của phƣơng pháp
này, trong chuẩn đoán bệnh y học thì yêu cầu về tốc độ cũng nhƣ chất lƣợng cần
đƣợc đảm bảo.
Kết luận: Lựa chọn siêu âm cắt lớp vì nó kế thừa đƣợc ƣu điểm của siêu âm
nói chung và điểm mạnh của siêu âm cắt lớp nói riêng, nhƣ đã trình bày ở bên trên.
Nhƣ vậy chụp siêu âm cắt lớp là tốt hơn so với phƣơng pháp truyền thống B - mode
trong Y sinh hiện nay, nhƣng vẫn chƣa thể áp dụng phổ biến do chất lƣợng chụp vẫn
còn thấp. Vì thế cần thiết phải cải tiến nâng cao chất lƣợng chụp siêu âm cắt lớp, đó
cũng là nội dung luận văn mà tác giả thực hiện. Và phƣơng pháp mà tác giả lựa chọn
là phƣơng pháp ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong siêu âm cắt lớp đƣợc đánh giá
là cho chất lƣợng hình ảnh tốt hơn để khôi phục ảnh siêu âm.
18
CHƢƠNG 2. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG
SIÊU ÂM CẮT LỚP
2.1. Lặp vi phân born (DBIM).
Hình 2.1 là sơ đồ cấu hình thu phát của hệ chụp siêu âm cắt lớp.
h Cấu hình hệ đo
Việc thực hiện đo thực tế có thể làm theo 2 cách sau:
Cách 1: Tất cả các máy phát và máy thu đều cố định trong suốt quá trình đo.
Vật thể sẽ đƣợc xoay quanh trục trung tâm với 1 bƣớc nhảy xác định. Nhận xét rằng
một máy thu và Nr máy phát đƣợc đặt đối xứng nhau nhƣ hình 2 nhằm đảm bảo
không bị hiện tƣợng dịch pha gây lỗi khi khôi phục ảnh .
Cách 2: Cố định vật thể, tại một vị trí máy phát xác định sẽ tiến hành đo trên
Nr máy thu ở vị trí đối xứng. Trên thực tế chỉ cần một máy thu nhƣng thực hiện Nr
lần đo ứng với một vị trí máy phát. Sau đó khi dịch máy phát đi một góc thì Nr máy
thu kia cũng tự động dịch chuyển một cách tƣơng ứng [2].
19
Vùng cần quan tâm (ROI – region of interest) bao gồm vật cần dựng ảnh.
Vùng diện tích quan tâm này đƣợc chia thành N N ô vuông (pixel) có kích thƣớc là
h. Số lƣợng máy phát là và máy thu là . Với vùng tán xạ hình tròn nhƣ trong
Hình 2.1, hàm muc tiêu (Object function) đƣợc tính bởi công thức (2.1).
(2.1)
Với và là tốc độ truyền sóng trong đối tƣợng và tốc độ truyền trong
nƣớc, f là tần số sóng siêu âm, là tần số góc (
Sử dụng sơ đồ cấu hình hệ đo nhƣ trong Hình 2.1, bằng cách sử dụng DBIM
để tái tạo lại độ tƣơng phản âm thanh tán xạ để xác định khối u trong môi trƣờng.
Giả sử rằng có một không gian vô hạn chứa môi trƣờng đồng nhất chẳng hạn là
nƣớc, số sóng là . Trong môi trƣờng đó có vật với số sóng là ( ) phụ thuộc vào không gian trong vật. Phƣơng trình truyền sóng của hệ thống có thể đƣợc cho nhƣ
phƣơng trình (2.2).
( )) ( ) ( ) ( )
(2.2) (
Viết lại dƣới dạng tích phân ta có:
(2.3) ( ) ( ) ( )
(2.4) ( ) ( ) ∬ ( ⃗⃗ ) ( ⃗⃗ ) (| ⃗⃗ |) ⃗⃗
Ở đó là sóng tán xạ, là sóng tới và G0 là hàm Green.
(2.5) ( ) ( )
là hàm mục tiêu cần đƣợc khôi phục từ dữ liệu tán xạ.
20
Bằng phƣơng pháp moment (MoM) áp suất tổng có thể đƣợc tính:
(2.6) ̅ ( ̅ ̅ ( ̅))
p suất tán xạ:
(2.7) ̅ ( ̅) ̅
Hai biến chƣa biết là ̅ và ̅ trong công thức (2.6) và (2.7), trong trƣờng hợp này áp
dụng xấp xỉ Born loại 1 và theo (2.6), (2.7) ta có:
(2.8) ̅ ( ̅) ̅ ̅ ̅
Với ̅ ̅ ( ̅).
Ở đó là là ma trận ứng với hệ số G0(r,r’) từ các pixel tới máy thu,
là ma trận đơn vị, và D(.) ma trận ứng với hệ số G0(r,r’) giữa các pixel,
là toán tử chéo hóa .
Với mỗi bộ phát và bộ thu, chúng ta có một ma trận ̅ và một giá trị vô hƣớng . Thấy rằng vector chƣa biết ̅ có giá trị bằng với số pixel của
RIO. Hàm mục tiêu (Object function) có thể đƣợc tính bằng cách lặp:
(2.9) ̅ ̅( ) ̅( )
Với ̅ và ̅( ) là giá trị của hàm mục tiêu ở bƣớc hiện tại và bƣớc trƣớc
(2.10)
đó. ̅ có thể đƣợc tìm bằng quy tắc Tikhonov:
̅̅̅̅ ̅‖
̅ ̅‖ ̅ ‖ ̅‖
Trong đó ̅ là ( ) ứ ả ả ệ ạ ̅ ậ ạ p p [2].
21
hu : Lặp vi phân Born
1: Chọn giá trị khởi tạo ̅ ̅
), do 2: while( ) or( RRE <
{
3: Tính ̅, ̅ , ̅,và ̅ tƣơng ứng ̅ sử dụng (2.6) và (2.7)
4: Tính ̅ từ giá trị ̅ đo đƣợc và giá trị tiên đoán
5: Tính RRE tƣơng ứng ̅ sử dụng công thức (2.11)
6: Tính giá trị ̅ mới sử dụng (2.9)
7: ;
}
‖ ̅ ‖ (2.11) ⁄ ‖ ̅ ‖
2.2. Kỹ thuật trải rộng phổ.
Kỹ thuật trải rộng phổ đã đƣợc ứng dụng áp dụng thành công trong tạo ảnh
cộng hƣởng từ, nhƣ ở trong công trình [3]. Hình 2.2 biểu thị lỗi chuẩn hóa theo tỉ số
nén khi không sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ (đƣờng màu xanh) và khi sử
dụng kỹ thuật trải rộng phổ (đƣờng màu đen) ứng dụng trong tạo ảnh cộng hƣởng
từ, ta thấy rằng lỗi chuẩn hóa giảm thiểu đáng kể khi tỉ số nén tăng dần, đặc biệt khi
tỉ số nén càng lớn thì lỗi chuẩn hóa càng giảm. Điều đó cho thấy chất lƣợng ảnh
đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ.
22
Hình 2.2: Tạo ảnh MRI: Lỗi chuẩn hóa theo tỉ số nén khi không sử dụng kỹ
thuật kích thích trải rộng phổ (đƣờng màu xanh) và khi sử dụng kỹ thuật trải
rộng phổ (đƣờng màu đen) [3]
Điểm mấu chốt của phƣơng pháp này trong kỹ thuật siêu âm cắt lớp là ma trận hàm sóng tới pinc đƣợc tiền điều chế bới tín hiệu chirp tuyến tính
, trong đó là tốc độ của tín hiệu chirp. Ƣu điểm
của phƣơng pháp này là làm cho phổ của đối tƣợng quan tâm đƣợc trải rộng hơn,
nhờ đó ta dễ dàng trong quá trình thu thập và khôi phục ảnh.
Phổ của tín hiệu trƣớc khi điều chế (a) và sau khi điều chế (b) [3].
23
Tín hiệu chirp
Chƣơng trình code ma trận sóng tới đƣợc kích thích bằng tín hiệu chirp
for l=transmiter
pinc=besselj(0,ko*sqrt((K1(l)-pix').^2+(K2(l)-pix).^2));
PINC=[PINC ; pinc];
end;
% Dieu che voi tin hieu chirp.
N=20;
N1=400;
N2=20;
w=4/(N1*N2);
no=1;
for j1=1:N1
for j2=1:N2
24
dis(j1,j2)=abs(no-j1)*abs(no-j1)+abs(no-j2)*abs(no-j2); % dis= x2 + y2.
end;
end
PINC=PINC.*exp(j*pi*w*dis);
save PINC_2D_matrix PINC
25
CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tham số mô phỏng.
Tần số f = 0.5 MHz, độ tƣơng phản âm 10%, nhiễu 0,1%, khoảng cách máy
phát và máy thu đến tâm đối tƣợng 60mm, số vòng lặp = 5, đƣờng kính đối tƣợng
10 mm, số điểm chia lƣới N = 20, số máy phát Np = 20, số máy thu Nt = 20.
3.2. Kết quả mô phỏng.
Hình 3.1. Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh
Hình 3.1 thể hiện cấu hình đo hệ thống tạo ảnh mô phỏng, 20 máy phát, 20
máy thu đƣợc bố trí đều trên một vòng tròn xung quanh đối tƣợng.
26
Hình 3.2. Hàm mục tiêu lý tƣởng
Hình 3.2 là hàm mục tiêu lí tƣởng tức là u lạ trong môi trƣờng đồng nhất cần
đƣợc khôi phục.
Hình 3.3. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 1 vòng lặp
27
Hình 3.4. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 2 vòng lặp
Hình 3.5. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 3 vòng lặp
28
Hình 3.6. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 4 vòng lặp
Hình 3.7. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 5 vòng lặp
Hình 3.3; 3.4; 3.5; 3.6; 3.7 là kết quả khôi phục từ vòng lặp 1 đến vòng lặp 5
sử dụng phƣơng pháp DBIM , chúng ta dễ dàng thấy rằng ảnh khôi phục từ vòng lặp
1 sang vòng lặp 2 hiệu quả rõ rệt, và ảnh khôi phục đƣợc cải thiện qua từng vòng
lặp.
29
Hình 3.8. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 1 vòng lặp
Hình 3.9. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 2 vòng lặp
30
Hình 3.10. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 3 vòng lặp
Hình 3.11. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 4 vòng lặp
31
Hình 3.12. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 5 vòng lặp
Hình 3.8; 3.9; 3.10; 3.11; 3.12 là kết quả khôi phục ảnh sử dụng phƣơng pháp
CE-DBIM từ vòng lặp 1 đến vòng lặp 5. Ta thấy ảnh khôi phục đƣợc cải thiện qua
từng vòng lặp. Tốc độ hội tụ ảnh ở vòng lặp sau tốt hơn ở vòng lặp trƣớc, qua các
vòng lặp 3,4,5 ta càng thấy rõ sự tƣơng đồng giữa ảnh khôi phục và ảnh lí tƣởng. Rõ
ràng là khi số vòng lặp tăng thì chất lƣợng ảnh càng đƣợc cải thiện. Tuy nhiên, độ
phức tạp của hệ thống lại tăng. Vì vậy, ngƣời ta đi tìm sự thoả hiệp giữa số vòng lặp
cần thiết để cho ảnh khôi phục có chất lƣợng phù hợp.
32
Hình 3.13. So sánh lỗi chuẩn hóa giữa phƣơng pháp DBIM và CE-DBIM
Khi lỗi chuẩn hóa lớn, ảnh khôi phục và ảnh lí tƣởng khác nhau nhiều, hay
chất lƣợng khôi phục ảnh kém. Và ngƣợc lại, khi lỗi chuẩn hóa nhỏ, ảnh khôi phục
với ảnh lí tƣởng khác nhau ít, hay chất lƣợng khôi phục ảnh tốt. Hình 3.12 cho thấy
rằng khi số phép đo tăng dần, lỗi chuẩn hoá giảm đáng kể. Điều đó thể hiện chất
lƣợng ảnh khôi phục càng dần đƣợc cải thiện. Kết quả cho thấy với cùng số máy
phát, số máy thu và cùng số vòng lặp, phƣơng pháp CE-DBIM tốt hơn so với
phƣơng pháp DBIM thông thƣờng.
33
PHẦN 3 : KẾT LUẬN CHUNG
Luận văn đã thành công trong việc nâng cao chất lƣợng khôi phục ảnh siêu
âm bằng cách sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ. Sử dụng phƣơng pháp này làm phổ
của tín hiệu ma trận sóng tới đƣợc trải rộng nên ta dễ dàng thu thập và khôi phục
ảnh. Đồng thời khi sử dụng phƣơng pháp CE – DBIM, sau 5 vòng lặp lỗi chuẩn
hóa giảm 75% so với phƣơng pháp DBIM thông thƣờng.
Kết quả cho thấy cùng số máy phát, số máy thu và cùng số vòng lặp,
phƣơng pháp CE – DBIM tốt hơn so với phƣơng pháp DBIM thông thƣờng.
Bƣớc tiếp theo của đề xuất này là việc thử nghiệm đề xuất trong tạo ảnh với
những dữ liệu thực tế để có thể áp dụng theo thời gian thực trong y tế.
34
TÀI LIỆU THAM KHẢO
* Tài liệu tiếng Việt
1. Vũ Hoàng Tuấn Hiệp, 2016. “Khôi phục ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng
DBIM hỗ trợ bởi quyết định ngƣỡng”.
2. Trần Thanh Huyền, 2016. “Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống
tạo ảnh siêu âm cắt lớp”.
* Tài liệu tiếng Anh
3. Tran, Duc-Tan, et al. "Spread spectrum in chaotic compressed
sensing with application to MRI." Advanced Technologies for
Communications (ATC), 2011 International Conference on. IEEE,
2011
4. Roozbeh Arshadi, Alfred C.H. Yu, and Richard S.C. Cobbold,
2007. “CODED EXCITATION METHODS FOR ULTRASOUND
HARMONIC IMAGING”
* Tài liệu Internet
5. http://www.benhhoc.com/bai/2424-Nguyen-ly-co-ban-ve-sieu-am-
chan-doan.html
6. http://choyte.com/sieu-am-la-gi-tong-quan-ve-nguyen-ly-hoat-dong-
va-cau-tao-may-sieu-am-2024.htm
7. https://cdha2013.wordpress.com/2013/07/30/nguyen-ly-chup-cong-
huong-tu/
8. http://chandoanhinhanh.info/vai-tro-cua-ky-thuat-sieu-am-trong-chan-
35
doan-hinh-anh-y-hoc
