Ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô phỏng mô hình da hỗ trợ chẩn đoán sức khỏe da

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô phỏng mô hình da hỗ trợ chẩn đoán sức khỏe da" áp dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng mô hình da người với ba lớp da. Kết quả mô phỏng được so khớp với hai nguồn dữ liệu thực tế - dữ liệu ứng với người da trắng từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), và dữ liệu ứng với người da vàng được nhóm nghiên cứu tự thu thập bằng thiết bị quang phổ. Khoảng cách Euclid trung bình lần lượt là 0.0259 và 0.0105 ứng với dữ liệu của Viện NIST và dữ liệu tự thu thập. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô phỏng mô hình da hỗ trợ chẩn đoán sức khỏe da

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO MÔ PHỎNG MÔ HÌNH DA HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN SỨC KHỎE DA Lưu Đinh Đại Đức1, Phan Đình Khánh1, Nguyễn Thế Nhân1, Kiều Thị Phượng1, Nguyễn Thanh Thiên2, Nguyễn Thanh Minh2, Phạm Văn Tuấn1,2, Nguyễn Thị Anh Thư1,2* [1] Khoa Khoa học Công nghệ tiên tiến, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng [2] Công ty TNHH MTV L.Y.D.I.N.C Email: ducluu2201@gmail.com, phandinhkhanh14@gmail.com, thenhan144@gmail.com, nkkieuphuong232@gmail.com, thiennguyenthanh257@gmail.com, minh151197@gmail.com, pvtuan@dut.udn.vn, ntathu@dut.udn.vn. Các bệnh da liễu thường không gây ảnh hưởng Tóm tắt - Ngày nay, phục vụ nhu cầu chữa trị và chăm sóc da ngày càng tăng, việc chẩn đoán sức khỏe của da trở nghiêm trọng đến tính mạng nhưng có tỉ lệ mắc bệnh cao nên cấp thiết. Một số phương pháp chẩn đoán dấu hiệu và ở nhóm người trẻ và ảnh hưởng nhiều đến tâm lý người tình trạng của da bao gồm đo sự mất nước qua các tầng da bệnh cũng như chất lượng cuộc sống. Theo nghiên cứu và kỹ thuật chụp đèn Wood. Ngoài ra, có thể kể đến phương hồi cứu trên hồ sơ của 3740 bệnh nhân mắc bệnh đến pháp không xâm lấn tiềm năng là chụp ảnh quang học. Nhờ khám tại bệnh viện trường Đại học Y Dược Huế, bệnh sự phát triển của khoa học máy tính với các công cụ mô nhân ở độ tuổi từ 16 - 30 chiếm tỉ lệ cao nhất (55.4%) [2]. phỏng để xây dựng các mô hình xác suất, phương thức chẩn Bên cạnh đó, một nghiên cứu khác được thực hiện tại đoán này có thể được thực hiện một cách nhanh chóng và Bệnh viện Da liễu Trung ương Việt Nam trên 430 người chính xác hơn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi áp dụng cho thấy lo lắng/ trầm cảm là vấn đề phổ biến nhất ở bệnh phương pháp Monte Carlo để mô phỏng mô hình da người với ba lớp da. Kết quả mô phỏng được so khớp với hai nhân mắc bệnh ngoài da, chiếm 71,8% [3]. nguồn dữ liệu thực tế - dữ liệu ứng với người da trắng từ Tuy nhiên, sự hạn chế của nhịp sống và làm việc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), và nhanh của phần lớn người khiến việc đến gặp một bác sĩ dữ liệu ứng với người da vàng được nhóm nghiên cứu tự thu thập bằng thiết bị quang phổ. Khoảng cách Euclid trung da liễu trở nên rất khó khăn. Điều này làm cho rất nhiều bình lần lượt là 0.0259 và 0.0105 ứng với dữ liệu của Viện người tốn một khoảng thời gian rất lâu để nhận thấy da NIST và dữ liệu tự thu thập. Kết quả này cho thấy sự phù của mình có vấn đề. Vì vậy nhu cầu cho một phương pháp hợp của mô hình toán học ba lớp cũng như sự tin cậy của nhanh và tiện để chẩn đoán sức khỏe da đang trở nên bức mô hình mô phỏng Monte Carlo. Kết quả này là tiền đề để thiết hơn bao giờ hết. nhóm sẽ tiến hành mô phỏng dữ liệu lớn về độ phản xạ ánh sáng của da, kết hợp với trí tuệ nhân tạo và thực hiện chẩn Đó là lý do ra đời của nhiều nghiên cứu về đề tài này đoán thông số sức khỏe da nhằm hướng đến phát triển ứng như kỹ thuật chụp đèn Wood [4], kỹ thuật đo hàm lượng dụng chẩn đoán da trên điện thoại thông minh. nước trong da thông qua điện dung và độ dẫn điện [5], kỹ thuật đo sự mất nước qua các tầng da [5]. Các phương Từ khóa - Chẩn đoán sức khỏe da, Chụp ảnh quang phổ, Mô phỏng Monte Carlo, Phản xạ khuếch tán, Chẩn đoán pháp này đã tạo ra một số sản phẩm trên thị trường gồm: không xâm lấn máy MoistureMap (Courage & Khazaka, Cologne, Germany), máy Skicon® (IBS Co., Hamamatsu, Japan), I. GIỚI THIỆU máy DermaLab® (Cortex Technology ApS, Hadsund, Da là cơ quan quan trọng của con người. Nó đóng Denmark) [5]. Tuy nhiên những phương pháp trên tốn vai trò như một lớp bảo vệ, chứa thụ thể cảm ứng để tiếp khá nhiều thời gian, chi phí cho máy móc, chẩn đoán và nhận thông tin từ bên ngoài và là một phần không thể nhân lực thực hiện. Từ thực trạng trên, nhóm nghiên cứu thiếu để tạo nên vẻ đẹp con người. Tuy nhiên, do những tiếp cận kỹ thuật chẩn đoán không xâm lấn, cụ thể là ứng vấn đề như ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu, chế độ dụng ánh sáng để chẩn đoán tình trạng của da bằng việc ăn uống không lành mạnh đã khiến cho những bệnh về da cho ánh sáng đi qua da và thu thập phản xạ khuếch tán để ngày càng trở nên phổ biến với các mức độ ảnh hưởng phân tích định lượng tình trạng lớp da. khác nhau. Trong một cuộc khảo sát tại Bình Thuận, số Phần tiếp theo của bài báo lần lượt trình bày phương ca bệnh da liễu do nắng nóng trong năm 2020 tăng gấp 6 pháp nghiên cứu mô hình da được sử dụng, ứng dụng lần so với các năm [1]. Monte Carlo để thực hiện mô phỏng, sau cùng là phân tích, đánh giá kết quả thu được và kết luận. ISBN 978-604-80-7468-5 113
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Tỉ lệ và tính chất hấp thụ của các chất trong da ảnh hưởng đến hệ số hấp thụ photon ở mỗi lớp. II. PHƯƠNG PHÁP Nói một cách khác, với mỗi lớp da được mô hình hóa, 1. Mô hình da độ hấp thụ của lớp đó là tổng độ hấp thụ của các thành Da người được cấu thành bởi nhiều lớp khác nhau với phần chính cấu tạo nên lớp gồm: nước, collagen, melanin một cấu trúc phức tạp, được chia thành 3 lớp chính: và máu. biểu bì, trung bì, và dưới da. Ba lớp chính này có thể được chi tiết thành 9 lớp con, theo thứ tự: sừng, gai, đáy, Gọi µ𝑎𝑖 là hệ số hấp thụ của sắc tố thứ 𝑖 có thể tích 𝐶𝑖 , trung bì nông, trung bì dưới, mạng lưới mạch máu trung công thức thể hiện hệ số hấp thụ của một lớp được biểu bì trên, trung bì sâu, mạng lưới mạch máu trung bì dưới, diễn ở dạng tuyến tính như sau: mỡ dưới da [6]. Mô hình da 9 lớp có cấu trúc phức tạp 𝑛 𝑛 với nhiều thông số tác động. Trong nghiên cứu này, 𝜇𝑎𝑙𝑎𝑦𝑒𝑟 = ∑ 𝜇𝑎𝑖 𝐶𝑖 + (1 − ∑ 𝐶𝑖 ) 𝜇𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒 (1) [8] chúng tôi sử dụng mô hình mô hình da với 3 lớp chính 𝑖=1 𝑖=1 (như trình bày trong hình 1) nhưng vẫn đảm bảo được các cấu trúc và các thông tin chủ yếu của da. với ∑𝑛𝑖=1 𝐶𝑖 < 100% Trong đó, 𝑛 là tổng lượng sắc tố có trong lớp; 𝜇𝑏𝑎𝑠𝑒 là độ hấp thụ của phần da không có bất kỳ sắc tố nào, theo phát hiện của Jacques vào năm 1996 [9]. Tuy nhiên, khi 𝑛 quá lớn và ∑𝑛𝑖=1 𝐶𝑖 vượt quá 100% điều kiện sẽ không còn được thỏa mãn. Để tránh trường hợp trên, công thức được điều chỉnh với phần thể tích bị dư: 𝑛 𝑖−1 𝑛 𝜇𝑎𝑙𝑎𝑦𝑒𝑟 = ∑ ∏[(1 − 𝐶𝑗 )]𝐶𝑖 𝜇𝑎𝑖 + ∏(1 − 𝐶𝑖 )𝜇𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑖=1 𝑗=1 𝑖=1 (2) Hình 1: Sơ đồ cấu trúc da [6] Ánh sáng khi đi qua lớp biểu bì được hấp thụ chủ yếu Lớp biểu bì: là lớp bên ngoài của da, không có mao bởi melanin, ngoài ra là nước và phần da không chứa sắc mạch và tĩnh mạch. Lớp này có độ dày trung bình khoảng tố. Tại đây, melanin có 2 loại với đặc tính và độ hấp thụ 20 – 150 𝜇m [7], được cấu thành bởi 90% là lớp sừng, có khác nhau: 𝜇𝑎𝑒𝑢 là hệ số của eumelanin có sắc tố nâu vai trò như một hàng rào ngăn các chất nguy hiểm xâm hoặc đen và 𝜇𝑎𝑝ℎ𝑒𝑜 là của pheomelanin có sắc tố đỏ hoặc nhập vào cơ thể. Các chất này chủ yếu được đào thải qua vàng. Ngoài ra, độ hấp thụ ở lớp biểu bì còn ảnh hưởng da, 10% còn lại là tế bào melanin đóng vai trò sản xuất bởi nước. Độ hấp thụ ở lớp trung bì chủ yếu do và phân phối melanin. Melanin là loại protein tạo tế bào hemoglobin trong máu, gồm oxyhemoglobin và sắc tố cho da và bảo vệ khỏi tia UV. deoxyhemoglobin có hệ số hấp thụ khác nhau. Phần còn Lớp trung bì: có độ dày khoảng từ 1 – 4 mm [7]. Cấu lại là do nước và phần không chứa sắc tố. Cuối cùng, lớp trúc lớp này bao gồm các mô liên kết, nước, hemoglobin dưới da bao gồm máu, chất béo, nước và phần da không và chủ yếu là collagen. Hemoglobin được chia làm 2 loại: chứa sắc tố. Độ hấp thụ của lớp này tương tự với lớp trung oxy-hemoglobin có oxy và deoxy-hemoglobin không có bì, bổ sung thêm độ hấp thụ của chất béo. oxy. Collagen trong lớp này chiếm đến 90% tổng số Vậy, từ công thức đã được điều chỉnh ở (2), độ hấp thụ collagen của toàn bộ cơ thể người. Bên trong lớp collagen ánh sáng của các lớp biểu bì, trung bì và lớp dưới da lần là các kênh bạch huyết, mạch máu, các sợi dây thần kinh lượt là: và các tế bào cơ. 𝜇𝑎𝑒𝑝𝑖 = 𝐶𝑚 ∗ (𝜇𝑎𝑝ℎ𝑒𝑜 ∗ 𝛽 + 𝜇𝑎𝑒𝑢 ∗ (1 − 𝛽)) + 𝐶𝑤𝑒𝑝𝑖 Lớp dưới da: có độ dày từ 1 – 5 mm [8]. Lớp dưới da bao gồm các lớp mô liên kết (dạng xốp) xen kẽ với các ∗ 𝜇𝑎𝑒𝑝𝑖 + (1 − 𝐶𝑚 − 𝐶𝑤𝑒𝑝𝑖 ) ∗ 𝜇𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒 tế bào mỡ chứa năng lượng. Những tế bào mỡ này được (3) giữ lại và kết thành từng nhóm bởi các sợi collagen. Lớp dưới da xếp xen kẽ với các mạch máu, đảm bảo cung cấp 𝜇𝑎𝑑𝑒𝑟 = 𝐶𝑏𝑑𝑒𝑟 ∗ (𝜇𝑎𝑜𝑥𝑦 ∗ 𝑆 + 𝜇𝑎𝑑𝑒𝑜𝑥𝑦 ∗ (1 − 𝑆)) nhanh chóng dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể. + (1 − 𝐶𝑏𝑑𝑒𝑟 ) ∗ 𝐶𝑤𝑑𝑒𝑟 ∗ 𝜇𝑎𝑤 Các lớp của da bị ảnh hưởng bởi các đặc tính quang học chủ yếu như độ dày, hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ,… + (1 − 𝐶𝑏𝑑𝑒𝑟 ) ∗ (1 − 𝐶𝑤𝑑𝑒𝑟 ) ∗ 𝜇𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒 (4) ISBN 978-604-80-7468-5 114
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) sáng tới. Một số phần tử tiêu biểu là collagen, nhân và ti thể [14]. 𝜇𝑎𝑠𝑢𝑏 = 𝐶𝑏𝑠𝑢𝑏 ∗ (𝜇𝑎𝑜𝑥𝑦 ∗ 𝑆 + 𝜇𝑎𝑑𝑒𝑜𝑥𝑦 ∗ (1 − 𝑆)) Hệ số tán xạ được tính bằng công thức: + (1 − 𝐶𝑏𝑠𝑢𝑏 ) ∗ 𝐶𝑓𝑎𝑡 ∗ 𝜇𝑎𝑓𝑎𝑡 −4 𝜆 + (1 − 𝐶𝑏𝑠𝑢𝑏 ) ∗ (1 − 𝐶𝑓𝑎𝑡 ) ∗ 𝐶𝑤𝑠𝑢𝑏 𝜇𝑠 = 𝜇𝑠500(𝑛𝑚) ∗ (𝑓𝑟𝑎𝑦 ∗ ( ) + (1 − 𝑓𝑟𝑎𝑦 ) 500(𝑛𝑚) ∗ 𝜇𝑎𝑤 + (1 − 𝐶𝑏𝑠𝑢𝑏 ) ∗ (1 − 𝐶𝑓𝑎𝑡 ) −𝑏𝑚𝑖𝑒 𝜆 ∗ (1 − 𝐶𝑤𝑠𝑢𝑏 ) ∗ 𝜇𝑎𝑏𝑎𝑠𝑒 ∗ ( ) ) (6) [15] 500(𝑛𝑚) (5) Trong đó, các hệ số và ký hiệu được mô tả ở bảng bên Trong đó: dưới: Bảng 1: Ký hiệu, mô tả và phạm vi về các thông số trong da 𝜇𝑠500(𝑛𝑚) : hệ số tán xạ đo được ở bước sóng 500 nm Ký hiệu Mô tả Khoảng 𝑓𝑟𝑎𝑦 : phần tán xạ Rayleigh Nồng độ của melanin ở 1.3-43% [9] 𝐶𝑚 lớp biểu bì 1 − 𝑓𝑟𝑎𝑦 : phần tán xạ Mie Nồng độ của nước ở lớp 10-20% [8] 𝐶𝑤𝑒𝑝𝑖 biểu bì 𝑏𝑚𝑖𝑒 : công suất tán xạ thu được bằng các dữ Nồng độ của máu ở lớp 0.2-7% [10] liệu đo được [9]. 𝐶𝑏𝑑𝑒𝑟 trung bì Dựa vào các công thức để mô hình hóa da với các đặc Nồng độ của nước ở lớp 40-90% [8] tính quang học ở trên, chúng tôi mô phỏng việc ánh sáng 𝐶𝑤𝑑𝑒𝑟 trung bì được lan truyền trong da và phản xạ trên bền mặt da thông Nồng độ của máu ở lớp 5-20% [8] qua thuật toán Monte Carlo [8]. 𝐶𝑏𝑠𝑢𝑏 dưới da 2. Mô Phỏng Monte Carlo Nồng độ của nước ở lớp 40-90% [8] 𝐶𝑤𝑠𝑢𝑏 Với một mô hình da được xác định rõ ràng như trên, dưới da phương pháp Monte Carlo (MC) được áp dụng để xây Nồng độ của mỡ ở lớp 40-70% [8] dựng mô hình có thể tái tạo lại độ phản xạ khuếch tán của 𝐶𝑓𝑎𝑡 dưới da da. Quá trình mô phỏng Monte Carlo được thực hiện theo Độ hấp thụ của melanin 1.70 x 10-12 nm-3.48 sơ đồ trong hình 2 dưới đây: 𝜇𝑎𝑚 cm-1 Độ hấp thụ của nước 10 - 9.9 x 10-5 -4 𝜇𝑎𝑤 cm-1 Độ hấp thụ của 0.5 - 1.26cm-1 𝜇𝑎𝑜𝑥𝑦 oxyhemoglobin Độ hấp thụ của 0.1 - 3.7cm-1 𝜇𝑎𝑑𝑒𝑜𝑥𝑦 deoxyhemoglobin Độ hấp thụ của mỡ 0.3 - 13.1m-1 𝜇𝑎𝑓𝑎𝑡 β Tỉ lệ giữa pheomelanin 4.9-36% [11] và eumelanin S Độ bão hòa của oxy 50-95% [12] trong máu Ngoài sự hấp thụ, hiện tượng tán xạ còn xảy ra liên tục bên trong da. Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie có thể sử dụng để xác định hiện tượng này trong quang học da. Tán xạ Rayleigh là sự tán xạ ánh sáng bởi các phần tử có bán kính nhỏ hơn khoảng 1/10 so với bước sóng của bức xạ. Ánh sáng từ sự tán xạ này gần như có cùng bước sóng với ánh sáng tới [14]. Tán xạ Mie là sự tán xạ ánh sáng bởi các phần tử có đường kính bằng hoặc lớn hơn so với bước sóng của ánh Hình 2: Sơ đồ mô phỏng Monte Carlo [8] ISBN 978-604-80-7468-5 115
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Quá trình này mô phỏng lại quá trình chiếu các tia chuyển, dẫn đến việc chúng không thể mang lại đủ thông photon vuông góc vào da. Những lớp da trong mô phỏng tin. Kỹ thuật Roulette được sử dụng để kết thúc quá trình này được giả định là những lớp da rộng vô hạn. Các lớp di chuyển của những photon này, giúp đảm bảo sự bảo được mô tả bằng các chỉ số như: độ dày, chiết suất, hệ số toàn năng lượng và không làm sai lệch sự phân bố của hấp thụ 𝜇𝑎 , hệ số tán xạ 𝜇𝑠 , hệ số dị biến 𝑔. Trong đó hệ lắng đọng photon. số tán xạ là tỷ lệ mà photon bị tán xạ trong một đơn vị Phương pháp này cho phép photon tiếp tục di chuyển khoảng cách, hệ số khúc xạ là tỷ lệ photon bị hấp thụ với trọng lượng 𝑚𝑊. Nếu trọng lượng photon giảm trong một đơn vị khoảng cách. Từ đó, ta có được hệ số xuống dưới ngưỡng quy định, trọng lượng sẽ được giảm tương tác μt bằng tổng hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ. Hệ xuống bằng 0 và kết thúc quá trình của photon này. số dị biến g là giá trị cosine trung bình của góc lệch (hình 3). 𝑚𝑊 𝑖𝑓 𝜉 ≤ 1/𝑚 W←{ 0 𝑖𝑓 𝜉 > 1/𝑚 Trong quá trình này, photon được cho lan truyền trong không gian 3 chiều và lượng photon bị hấp thụ được ghi Nếu đó là photon cuối cùng, quá trình mô phỏng sẽ lại. Mô phỏng này sử dụng lấy mẫu ngẫu nhiên biến đổi dừng lại. Ngược lại, quá trình mô phỏng sẽ tiếp tục với từ các phân phối xác suất. Để mô phỏng sự lan truyền, một photon mới. chúng ta sẽ lặp lại ngẫu nhiên một biến số dựa trên bộ tạo số giả ngẫu nhiên 𝜉. III. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 1. So sánh kết quả mô phỏng với bộ dữ liệu thực nghiệm NIST Quá trình mô phỏng Monte Carlo được tuỳ biến tuỳ thuộc vào các thông số liên quan đặc tính của từng loại da, theo cấu trúc da được đề xuất bởi Lihong Wang [20]. Căn cứ vào các khoảng giá trị của các thông số da được thu thập ở bảng 1, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng với các thông số da của người da trắng như sau: 𝐶𝑚 = 5%, 𝐶𝑤𝑒𝑝𝑖 = 15%, 𝐶𝑏 𝑑𝑒𝑟 = 4%, 𝛽 = 21%, 𝜇𝑎𝑜𝑥𝑦 = 0.88𝑐𝑚−1 , 𝜇𝑎𝑑𝑒𝑜𝑥𝑦 = 1.9𝑐𝑚−1 . Cơ sở dữ liệu phổ phản xạ của Viện Tiêu chuẩn và Hình 3: Cách photon di chuyển trong mô phỏng Monte Carlo Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) [16] đã được sử [8] dụng để đo phổ phản xạ thực bằng một máy đo quang phổ thương mại. Cơ sở này được xây dựng từ 100 mẫu gồm Trước hết, chương trình tiến hành xác định vị trí hiện những dải bước sóng từ 250 đến 2500 nm với mỗi bước tại của photon bằng hệ tọa độ Descartes (𝑥, 𝑦, 𝑧). Lúc tăng 3 nm. Phát triển từ nghiên cứu trước, chúng tôi tái này, các photon sẽ bắt đầu phóng đi. Trước khi phóng đi, định hình dữ liệu bằng cách sử dụng thuật toán nội suy và mỗi photon đều có trọng lượng 𝑊. Bằng cách sử dụng dữ hạn chế phạm vi từ 430 đến 1700 nm. Từ đó, chúng tôi liệu ngẫu nhiên, kích thước bước thông qua lấy mẫu phân đã định dạng lại các mẫu trong chương trình Monte Carlo bố xác suất cho đường đi tự do của photon được tính toán. và nhận được một phổ phản xạ mô phỏng ở hình dưới Trong mỗi bước, các photon có thể có khả năng va đây. chạm vào thành biên của da hoặc tiếp tục lan truyền. Nếu photon va chạm vào thành biên, chúng ta sẽ kiểm tra photon sẽ bị phản xạ hay thoát ra khỏi ra. Việc kiểm này dự trên bộ số giả ngẫu nhiên 𝜉 và hệ số phản xạ toàn phần 𝑅(𝛼𝑖 ). Tiếp đó, photon bắt đầu di chuyển bên trong mô với trọng lượng được cập nhật liên tục. Sau mỗi bước, quá trình mô phỏng bắt đầu tính toán sự suy giảm của photon do sự hấp thụ trong mô. Photon tiếp tục bị tán xạ và hướng của nó sẽ bị thay đổi. Sự thay đổi này phụ thuộc vào 2 góc là góc lệch 𝜃 ∈ [0, 𝜋) và góc phương vị 𝜓 ∈ Hình 4: Kết quả so sánh phổ phản xạ của người da trắng [0,2𝜋), được quyết định dựa trên giá trị ngẫu nhiên. Sự thay đổi liên tục về trọng lượng này nghĩa là một Kết quả trình bày trong hình 4 cho ta thấy phổ phản số photon mất đi quá nhiều trọng lượng trong quá trình di xạ nhận được gần sát với bộ dữ liệu thực công bố bởi ISBN 978-604-80-7468-5 116
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Viện NIST. Sự chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và kết đó, chúng tôi cũng tìm được tỉ lệ giữa pheomelanin và quả đo thực đến từ việc điều chỉnh các thông số của lớp eumelanin là 𝛽 = 6.2125 [19]. biểu bì và hạ bì. Đồng thời, mô hình da ba lớp được chúng Thiết bị Texas Instruments DLP NIRscan Nano tôi sử dụng có cấu trúc ít phức tạp hơn so với mô hình da Evaluation Module (EVM) được sử dụng để tạo cơ sở dữ chín lớp và da thực. Tuy nhiên biểu đồ phổ phản xạ vẫn liệu phổ phản xạ của da. Nhóm đã thực hiện đo trên 3 tình có thể giữ được hình dạng tương đối đồng nhất và đặc nguyện viên người da vàng trong phạm vi bước sóng từ trưng. 900 – 1700 nm. Sau khi xây dựng mô hình da, chúng tôi Kết quả thực nghiệm cho thấy phổ phản xạ có xu cho chạy Monte Carlo trong phạm vi bước sóng này để hướng tăng trên miền bước sóng 430 - 700 nm. Điều này so khớp với dữ liệu thu được từ thiết bị quang phổ trên. có thể do hệ số hấp thụ của melanin trong khoảng này giảm dần một cách ổn định, và nồng độ của melanin quá lớn, chiếm ưu thế hơn so với các chất còn lại trong tầng trung bì [8]. Giá trị này tỉ lệ nghịch với hệ số hấp thụ của máu và [8], theo đó, dựa vào hình 4 và hình 5, khi nồng độ của hemoglobin và oxy-hemoglobin tăng trong khoảng 510 - 550 nm, hệ số phản xạ giảm. Mặt khác, do ảnh hưởng của độ bão hòa oxy trong máu [8], hệ số phản xạ của da tăng từ 550 - 575 nm và tăng mạnh trong khoảng 600 - 700 nm. Hình 6: Kết quả so sánh phổ phản xạ của người da vàng Nhìn vào hình 6, ta thấy được phổ phản xạ nhận được từ kết quả mô phỏng có hình dạng gần giống với phổ phản xạ thu được từ kết quả đo thực. Tuy nhiên, có sự biến thiên mạnh trong khoảng từ 1100 - 1300nm. Sự chênh lệch này có thể đến từ việc điều chỉnh thông số của lớp biểu bì, hạ bì và mô hình da ba lớp. Bên cạnh đó, chúng ta có thể thấy rằng từ bước sóng 1000nm không tồn tại hemoglobin và deoxyhemoglobin mà chỉ có nước và melanin. Đồng thời trong khoảng đó melanin cũng trong đà giảm mạnh dẫn đến việc chương trình bị nhiễu sóng và chúng ta cũng thấy sự hấp thụ của nước ở mức Hình 5: Phổ hệ số hấp thụ của các chất [17] 1100 nm tăng lên mạnh. Vì vậy phổ phản xạ của da thật Trong khoảng bước sóng từ 700 - 1700 nm, phổ phản và da mô phỏng đều có dấu hiệu giảm mạnh. Trong xạ có xu hướng giảm. Điều này là do ảnh hưởng của độ khoảng bước sóng này nước trở thành giá trị chiếm nồng hấp thụ của nước trong da, bởi vậy, hình dáng phổ phản độ ở trong tầng, do đó đã dẫn đến sự biến thiên đó. xạ thay đổi đồng nhất và nghịch đảo so với sự biến thiên Khoảng cách Euclide trung bình giữa chỉ số mô phỏng hệ số hấp thụ của nước. Ở miền bước sóng này, hệ số của và chỉ số đo được là 0.0105. Trong đó, độ chênh lệch lớn melanin và máu không còn đóng góp nhiều trong phổ nhất là 0.0316 tại bước sóng 1125 nm và độ chênh lệch phản xạ của da. bé nhất là 0.0001 tại bước sóng 1689 nm. Khoảng cách Euclide trung bình giữa chỉ số mô phỏng 3. Đánh giá hai bộ dữ liệu mô phỏng và chỉ số đo thực của NIST thu được là 0.0259. Trong đó, độ chênh lệch lớn nhất là 0.0567 tại bước sóng 703 Nhìn vào kết quả mô phỏng trong khoảng 900 - 1700 nm và độ chênh lệch bé nhất là 0.0002 tại bước sóng nm của hai bộ dữ liệu da trắng và da vàng ở hình 4 và 1009 nm. hình 6, ta nhận thấy sự tương đồng trong hình dạng phổ thu được từ cả hai bộ dữ liệu. Mặc dù giá trị các thông số 2. So sánh kết quả mô phỏng với bộ dữ liệu thực mô phỏng là khác nhau, xu hướng biến thiên của phổ nghiệm tự xây dựng không có sự chênh lệch. Điều này chứng minh được tính Dựa trên những nghiên cứu trước, nhóm cũng đã mô ổn định trong kết quả mô phỏng của nhóm. phỏng được một mô hình da người phương Đông. Trong đó chúng tôi có thể lấy 𝐶𝑚 = 12% [8], độ dày của lớp biểu bì là 0.0728 nm, và hạ bì là 1.0943 nm [18]. Bên cạnh ISBN 978-604-80-7468-5 117
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) IV. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN [5] Meha Q., et Panayiotis K., “Review of Modern Nghiên cứu này đã thực hiện mô phỏng cấu trúc da Techniques for the Assessment of Skin Hydration”, người với bộ thông số phù hợp với từng loại da được đề Cosmetics, 2019, 6, 19. xuất trong các nghiên cứu trước đó bằng phương pháp [6] Das, K., et al. “Simulated reflectance spectra and point Monte Carlo. Qua đó, chúng tôi tạo dựng được một tập spread functions in database constructed by moderate dữ liệu mô phỏng da người với độ chính xác tương đối, grouping of nine layers in skin model”, Opt Rev, 2020, phù hợp với dữ liệu thực nghiệm được công bố bởi Viện 27, 233–245. NIST và dữ liệu tự thu thập thực tế từ thiết bị đo. [7] A. K. Dabrowska, et al, “Material used to simulate Bằng việc thay đổi các thông số của da người theo các physical properties of human skin”, Skin Research and Technology, 2016, 22, 1, 3-14. tình trạng sức khoẻ khác nhau của da, các dữ liệu mô phỏng được mức độ phản xạ của da trong các tình huống [8] Shiwei L., et al, “Quantitative Analysis of Skin using tương ứng sẽ được tái tạo. Đây chính là tiền đề cho việc Diffuse Reflectance for Non-invasive Pigments mô phỏng để chẩn đoán sức khỏe da người. Detection,” VISAPP, 2021, 4, 604-614. Trong các nghiên cứu tiếp theo, ta có thể cải thiện mô [9] Jacques, S. L, “Origins of tissue optical properties in the uva, visible, and NIR regions”, Advances in Optical hình da từ 3 lớp thành 9 lớp và hiệu chỉnh độ sai lệch để Imaging and Photon Migration 1996, OPC364. đạt được kết quả tốt hơn. [10] Flewelling R., “Noninvasive Optical Monitoring”, The Ngoài ra, do quá trình mô phỏng MC mất nhiều thời Biomedical Engineering Handbook: Second Edition, gian và cần cấu hình máy tính mạnh nên làm giảm tính Ed. Joseph D. Bronzino, Boca Raton: CRC Press LLC, khả thi của quá trình chẩn đoán. Do đó, chúng tôi hướng 2000. đến việc huấn luyện mạng neuron nhân tạo để tạo cơ sở [11] Parsad D., et al, “Eumelanin and pheomelanin contents dữ liệu mô phỏng kích thước lớn cũng như tăng tốc độ of depigmented and repigmented skin in vitiligo chẩn đoán. patients”, British Journal of Dermatology, 2003, Đồng thời, chúng tôi sẽ tiến hành xây dựng một hệ 149(3):624-6. thống tích hợp trên điện thoại thông minh, dùng camera [12] Angelopoulos E., “Understanding the color of human điện thoại để đo độ phản xạ của da người bằng cách tích skin”, Proc SPIE, 2001, 4299. hợp mô hình trí tuệ nhân tạo trên thiết bị biên và thực hiện [13] Baranoski G. V. and Krishnaswamy A., Light and skin phân tích chẩn đoán về tình trạng sức khoẻ của da. interactions: simulations for computer graphics LỜI CẢM ƠN applications, 2010. [14] Iyad S. Saidi, et al, “Mie and Rayleigh modeling of Chúng tôi xin chân thành cảm ơn công ty TNHH visible-light scattering in neonatal skin”, Applied MTV L.Y.D.I.N.C đã hỗ trợ về tài chính, trang thiết bị Optics, 1995, 34, 31, 7410-8. nghiên cứu và tư vấn kĩ thuật cho đề tài này, xin cảm ơn Viện Công nghệ quốc tế DNIIT - Đại học Đà Nẵng đã hỗ [15] Jacques S. L., “Optical properties of biological tissues: a review”, Phys. Med. Biol., 2013, 58(11): R37-61. trợ cho mượn thiết bị đo quang phổ cầm tay NIR, xin cảm ơn Trường Đại học bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã hỗ [16] Catherine C. Cooksey, et al, “Reference Data Set of trợ một phần chi phí nghiên cứu đề tài. Human Skin Reflectance”, NIST JRES, 2017, 122: 1-5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [17] Dam J. S., “Optical Analysis of biological media - continuous wave diffuse spectroscopy’’, Lund Reports [1] Vân Sơn, “Biến đổi khí hậu khiến bệnh da liễu tăng cao”, in Atomic Physics, 2000, LRAP-265. Dân trí, 2020. [18] Lee Y., Hwang K., “Skin thick of Korean adults”, [2] Cat M., Anh M., “Mô hình bệnh da liễu ở đối tượng trên Surgical and Radiologic Anatomy, 2002, 24(3-4):183- 15 tuổi tại Phòng khám Da liễu Bệnh viện Trường Đại 9. học Y Dược Huế”, Tạp chí Y học Lâm sàng Bệnh viện Trung ương Huế, 2021, 70. [19] Alison H., et al, “Eumelanin and pheomelanin concentrations in human epidermis before and after [3] Sau H. N., et al, “Health-Related Quality of Life UVB irradiation”, Pigment Cell Res., 2005, 18(3): 220- Impairment among Patients with Different Skin 3. Diseases in Vietnam: A Cross-Sectional Study”, Int. J. Environ. Res. Public Health, 2019, 16(3), 305. [20] Lihong W., et al, “MCML—Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues”, Computer [4] Brittanya L., LaVonneBri M., “The Wood’s Light’s Methods and Programs in Biomedicine, 1995, 47, 2, Diagnostic Use in Dermatology,” Journal of the 131-146. Dermatology Nurses’ Association, 2017, 9, 4, 211-215. ISBN 978-604-80-7468-5 118