Phát triển mô hình máy soi cổ tử cung sử dụng nguồn sáng phân cực và ứng dụng ban đầu trong lâm sàng

Nghiên cứu trình bày hướng đến việc nghiên cứu, phát triển mô hình máy soi cổ tử cung sử dụng nguồn sáng Led phân cực có những cải tiến về chất lượng hình ảnh, cũng như giá thành hợp lý, phục vụ nhu cầu thiếu hụt trang thiết bị y tế hiện đại trong nước.

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH MÁY SOI CỔ TỬ CUNG SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG PHÂN CỰC VÀ ỨNG DỤNG BAN ĐẦU TRONG LÂM SÀNG Nguyễn Ngọc Quỳnh*, Nguyễn An Duy, Lý Cao Dương Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM *Tác giả liên lạc: nguyenngocquynh95@gmail.com TÓM TẮT Trong năm gần đây, trường hợp muộn, vô sinh ngày nhiều Theo thống kê, nguyên nhân bệnh liên quan đến cổ tử cung (CTC) Nếu không phát kịp thời điều trị cách, bệnh phát triển thành ung thư cổ tử cung (UTCTC), bệnh có khả gây tử vong cao cho người bệnh Một phương pháp phổ biến để phát sớm dấu hiệu bất thường CTC soi CTC máy soi cổ tử cung (MSCTC) Trong nghiên cứu này, hướng đến việc nghiên cứu, phát triển mơ hình MSCTC sử dụng nguồn sáng Led phân cực có cải tiến chất lượng hình ảnh, giá thành hợp lý, phục vụ nhu cầu thiếu hụt trang thiết bị y tế đại nước Ngồi ra, chúng tơi xây dựng phần mềm lưu trữ xử lý ảnh trực tiếp, nhằm tăng cường hay phân đoạn vùng bệnh, cho bác sĩ nhìn trực quan, rõ ràng bệnh lý bệnh nhân Kết bước đầu phân tích, đánh giá số đặc tính thường gặp bệnh lý CTC Từ khóa: Cổ tử cung, Ung thư cổ tử cung, Máy soi cổ tử cung DEVELOPING THE COLPOSCOPY MODEL USING POLARIZED LIGHT SOURCE AND ITS PRELIMINARY CLINICAL APPLICATION Nguyen Ngoc Quynh*, Nguyen An Duy, Ly Cao Duong University of Technology, VNU-HCM * Corresponding authour: nguyenngocquynh95@gmail.com ABSTRACT In recent years, there has been a significant rise in cases of infertility According to statistics, one of the primary causes is disease in terms of cervix Should they not be diagnosed early or treated properly, these symtoms will likely lead to cervix cancer in a near future, which is an extreme threat to patient’s lives One of the most common methods to detect abnormal indication in cervix is to scan through it using the colposcopy In this study, we are looking to the research and development of a colposcopy model using polarized Led light source with considerable enhancement in image quality as well as a reasonable price, serving to meet the huge demand of modern medical equipments of the society In addition, we also develop an application for storing and analysing the images directly, in order to highly visualise the disease area, providing doctors with clearer and better perspective about the symtoms Preliminary results then help analyse and evaluate some typical characteristics of cervixrelated diseases Keywords: Cervix, cervical cancer, colposcopy TỒNG QUAN Trong thể người phụ nữ, cổ tử cung (CTC) quan nhạy cảm dễ bị ảnh hưởng yếu tố bên ngồi Có nhiều ngun nhân khác gây số bệnh lý CTC với nhiều mức độ nặng nhẹ khác nhau, dẫn đến biến chứng vô sinh nghiêm trọng bệnh UTCTC Trong số nghiên cứu sức khỏe sinh sản gánh nặng tồn giới bệnh lý CTC lớn, với 500,000 trường hợp UTCTC chẩn đoán năm, dẫn đến 250,000 ca tử vong Tỷ lệ mắc bệnh CTC cao quốc gia phát triển thấp nước phát triển phương Tây - nơi chương trình sàng lọc làm giảm đáng kể tỷ lệ mắc bệnh Tại Việt Nam, UTCTC loại ung thư phụ khoa phổ biến thứ hai, sau ung thư vú Mỗi năm, có 5,000 trường hợp 2,500 394 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 trường hợp tử vong bệnh Bệnh lý CTC phát giai đoạn sớm tỷ lệ tiên lượng tốt sau chẩn đốn năm đạt đến 92%, cịn phát trễ vào giai đoạn tế bào ung thư di tỷ lệ giảm xuống cịn 17% Do đó, việc phát sớm điều trị kịp thời bệnh lý CTC triệu chứng tiền UTCTC trở nên cấp bách Trong lâm sàng nay, phương pháp giúp chẩn đoán bệnh lý CTC tựu chung lại theo hai hướng hướng tế bào học hướng mơ học Trong mơ học phương pháp sử dụng kết xét nghiệm mô tế bào như: Pap smear, ThinPrep, HPVDNA tuân theo tiêu chuẩn để xác định bệnh lý Trong hướng tiếp cận từ cấp độ tế bào học sử dụng kết từ việc quan sát bề mặt CTC phương pháp như: soi cổ tử cung, VIA… để đánh giá tình trạng bệnh lý Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy vào điều kiện sở vật chất, mức độ bệnh, khả tài bệnh nhân mà lựa chọn phương pháp cho phù hợp Trong số phương pháp kể soi CTC sử dụng phổ biến tiết kiệm thời gian, chi phí độ tin cậy cao Mặc khác, Việt Nam MSCTC phần lớn nhập từ nước với giá thành cao (thiết bị Đức, Mỹ) hạn chế chất lượng hình ảnh (thiết bị Trung Quốc) Với thực tế đó, nhận thấy thiết bị soi CTC thật cần thiết để hỗ trợ bác sĩ việc chẩn đoán bệnh lý CTC nhanh hiệu Trong nghiên cứu này, chúng tơi tiến hành phát triển mơ hình thiết bị soi CTC với nguồn sáng Led phân cực đa bước sóng, sử dụng camera tự động lấy nét Đồng thời, xây dựng phần mềm quản lý riêng, có nhiệm vụ điều khiển camera, ghi nhận xử lý hình ảnh trực tiếp Đối với phương pháp xử lý ảnh, phân đoạn kỹ thuật tự động phát vùng bất thường quan tâm nghiên cứu nhiều năm gần Trên sở đó, chúng tơi phát triển phương pháp dựa sở thuật toán Otsu để phân đoạn vùng đỏ-một đặc trưng nhận diện dấu hiệu bệnh lý CTC Dựa vào kết sau xử lý đánh giá mức độ, phân bố diện tích vùng xung huyết, từ cung cấp cho bác sĩ Kỷ yếu khoa học chuyên khoa tư liệu cần thiết hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý CTC Kết ban đầu đạt chất lượng hình ảnh với độ phân giải cao, cho khả nhận diện đặc trưng, nhiều tính kèm chống lóa bề mặt, quan sát mạch máu…là điều cần thiết để giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh nhanh hiệu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Nhận thấy việc nâng cao thu nhận xử lý ảnh chụp CTC hướng phát triển có tiềm năng, đặc biệt với hỗ trợ mạnh từ phát triển cơng nghệ thơng tin thuật tốn xử lý ảnh.Trong nghiên cứu này, tiến hành nâng cấp nguồn sáng theo hướng khai thác số đặc tính tương tác ánh sáng tế bào sống (tính truyền qua, phản xạ, hấp thụ) Chẳng hạn để đánh giá nồng độ tập trung máu hay vết xuất huyết, nhà nghiên cứu thường sử dụng ánh sáng màu xanh (~530 nm) ánh sáng bị hấp thụ mạnh Hemoglobin (Hb- Huyết sắc tố) thành phần quan trọng có máu Để tăng độ tương phản máu da sử dụng kết hợp ánh sáng xanh (~530 nm) màu đỏ (~ 660 nm) máu hấp thụ ánh sáng đỏ, melanin (một thành phần quan trọng da) hấp thụ ánh sáng mạnh Kết sử dụng để đánh giá bệnh vảy nến, bệnh sốt xuất huyết, đánh giá q trình lành vết thương Cịn trường hợp muốn tăng độ tương phản melanin, kết hợp ánh sáng xanh da trời (~ 480 nm) xanh (~ 530 nm) Những nghiên cứu có ích việc giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh lý dễ dàng hơn, đắn Từ đề xuất trên, phát triển hệ thống quang học mơ hình thiết bị thơng qua việc sử dụng nguồn sáng với Leds trắng Leds xanh Trong đó, ánh sáng trắng giúp quan sát hình ảnh CTC chế độ bình thường, ánh sáng xanh giúp dễ dàng phát vùng có tập trung máu bất thường bề mặt CTC Mặc khác, tính chất tán xạ ánh sáng mơ sinh học nên góc phân cực bị thay đổi lớp sâu bề mặt CTC với phản xạ tốt bề mặt CTC nên hình ảnh thu thường bị chói sáng, gây khó khăn cho bác sĩ 395 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 việc quan sát phân tích hình ảnh CTC có bệnh Một số thuật toán đề xuất để giải vấn đề nghiên cứu nhiên kết thu sai khác so với hình ảnh ban đầu Vì vậy, chúng tơi đề xuất phương pháp cải tiến xây dựng hệ thống quang học dựa tính chất phân cực chéo để thiết kế nguồn sáng cho mơ hình thiết bị Giải pháp kỹ thuật đặc biệt giúp tăng cường độ phân giải hình ảnh hỗ trợ chẩn đoán khả loại bỏ ánh sáng chói bề mặt tổn thương bóng mờ từ trường nhìn, khả mô tả tế bào mô nằm bên bề mặt tổn thương Đối với phần mềm, chúng tơi xây dựng giao diện chương trình ngơn ngữ lập trình C# có nhiệm vụ điều khiển camera, lưu trữ xử lý ảnh Chức chương trình kết nối camera với máy tính, thao tác với camera, lưu trữ quản lý liệu Riêng phần xử lý ảnh, sử dụng thuật toán dựa thư viện Aforge - tảng C# thiết kế cho nhà phát triển nghiên cứu lĩnh vực thị giác máy trí tuệ nhân tạo- xử lý ảnh, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền, logic mờ, học máy, robot Dựa vào liệu ảnh thu từ tình nguyện viên phịng khám sản khoa, nhóm tập trung nghiên cứu bệnh lý CTC phổ biến thuộc nhóm viêm CTC Dấu Kỷ yếu khoa học hiệu lâm sàng bệnh xuất huyết Sự xuất huyết gây nên vết đỏ bề mặt CTC Do đó, để giúp đỡ bác sĩ việc chẩn đoán bệnh viêm CTC, sâu vào việc tăng độ tương phản máu (giúp bác sĩ phân biệt rõ ràng vùng xuất huyết vùng không xuất huyết) phân đoạn vùng xuất huyết (giúp bác sĩ xác định rõ ràng diện tích vùng xuất huyết so với vùng bình thường) Để thực nhiệm vụ này, chúng tơi sử dụng số TiVi Index để nhận dạng tồn hồng cầu (máu – vết đỏ) thuật toán Otsu để xử lý ảnh, phân đoạn vùng có tập trung máu bất thường KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mơ hình thiết bị máy soi cổ tử cung Trên sở phương pháp mục tiêu đề ra, phát triền thành công mô hình MSCTC sử dụng nguồn sáng Led phân cực Trước tiên hỗ trợ bác sĩ quan sát CTC, thu thập liệu hình ảnh CTC phục vụ cho nghiên cứu xử lý ảnh y sinh tự động chẩn đốn bệnh Mơ hình MSCTC có chức thu nhận hình ảnh camera chun dụng, sử dụng nguồn sáng phân cực với hai chế độ ánh sáng trắng ánh sáng xanh Hình Thiết bị máy cầm tay tiện lợi, chức tự động lấy nét nhanh, có giá đỡ, thao tác đơn giản Hình Mơ hình máy soi cổ tử cung sử dụng nguồn sáng phân cực với máy soi (Hình 2) Chức Hệ thống phần mềm Ngồi điều khiển thủ cơng sử dụng cơng tắc chương trình kết nối camera với máy tính, nút nhấn, xây dựng thao tác với camera, lưu trữ, quản lý liệu hoàn chỉnh giao diện chương trình kèm xử lý ảnh Một số chức xử lý ảnh 396 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 trực tiếp giao diện (Realtime) nghiên cứu phát triển như: Sử dụng ảnh xám (Gray Scale), phân đoạn ảnh thủ công (Threshold), phân đoạn ảnh theo Kỷ yếu khoa học phương pháp Otsu sử dụng TiVi Index nhằm phát đánh dấu vùng bệnh lý thông qua phương pháp lọc màu Hình Giao diện chương trình chế độ bình thường (original) Đối với người dùng bác sĩ chuyên khoa Kết hình ảnh soi cổ tử cung thực tế phịng khám, bệnh viện, giao hình ảnh sau xử lý diện thân thiện, dễ sử dụng Các chức Hình ảnh CTC ghi lại mơ hình chụp, lưu trữ ảnh xuất kết hoàn toàn MSCTC giúp đỡ bác sĩ phòng tự động Chương trình có hỗ trợ lưu trữ hình khám sản phụ khoa Các tình nguyện viên ảnh kết lên máy chủ Thuận tiện bệnh nhân phòng khám Hệ thống quang trường hợp chuyển viện quản lý hồ sơ học với ánh sáng phân cực trắng xanh bệnh án bệnh nhân Đây xu hướng IoT sử dụng nhằm chống phản xạ bề nay, dễ dàng truy cập hình ảnh kết mặt (Hình 3) Chất lượng hình ảnh có độ bệnh lý từ nơi đảm phân giải cao, rõ nét, giảm chói lóa sáng bảo tính bảo mật thơng tin bệnh nhân Góp đáng kể so với thiết bị sử phần tạo nên kho liệu lớn nhằm dụng phổ biến Việt Nam hướng đến trí tuệ nhân tạo Hình Hình ảnh cổ tử cung chụp từ mơ hình thiết bị xây dựng Trong phần tiếp theo, đưa đỏ giúp bác sĩ dự đốn tình trạng kết thu dựa hình ảnh sau phát triển bệnh lý Tuy nhiên, việc quan qua xử lý bệnh u nang sát vết đỏ hồng nhạt (màu Nabothian- bệnh lý thường gặp CTC không bị bệnh) vấn đề khó phụ nữ sau sinh mãn kinh Như chúng khăn Đặc biệt nang lành tính ta biết, CTC bình thường có màu hồng vết đỏ có cường độ gần tương nhạt, CTC bị u nang Nabothian, bề mặt đương với màu sắc CTC bình thường; xuất nang màu trắng ngà, máu hay diện tích vết đỏ chưa lớn, khó tập trung đổ để ni nang, xảy xác định có mặt chúng bề tượng xung huyết tạo thành vết đỏ mặt CTC Điều gây khó khăn việc Các vết đỏ có kích thước khác nhau, tạo quan sát chẩn đoán bác sĩ Mặc khác thành vệt dài phân bố rải rác xung điều kiện quan sát góc độ quan sát quanh nang Diện tích, cường độ vết khác ảnh hưởng lớn đến kết 397 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình A) Ảnh phân cực cổ tử cung có nang Nabothian; B) Ảnh phân cực phóng to nang Nabothian; C) Ảnh TiVi Index; D) Ảnh TiVi Index dựng 3D Hình 4.A ảnh CTC có nang Nabothian 3D (hình 4.D) Biểu đồ 3D dựng dựa (vùng đánh dấu hình vng màu xanh hình ảnh tăng cường tương phản máu dương) chụp ánh sáng phân cực theo TiVi Index, trục đồ thị thể trắng Vùng có nang Nabothian phóng độ cao đỉnh Đỉnh cao tương to hình 4.B sau đưa qua xử lý đương với cường độ đỏ lớn Có thể thấy thuật tốn TiVi Index thu kết đặc trưng khu vực nang Nabothian có hình 4.C Ở đây, cường độ máu (vùng dạng thung lũng với vùng xung đỏ) thể theo màu sắc, gam màu huyết màu cam đỏ nhơ cao xung quanh Ở nóng cho thấy cường độ trung tâm nang màu xanh đậm trũng xuống lớn Ảnh TiVi Index thể rõ ràng tương ứng vùng khơng có máu tập trung phân bố vệt đỏ xung quanh nang Biểu đồ 3D mang đến nhìn trực quan Nabothian, phân biệt nốt đỏ cường độ phân bố máu khơng gian có mức độ xung huyết khác tập trung ba chiều Sau tăng cường tương phản xung quanh nang thay vùng đỏ liên vùng đỏ (vùng máu), cơng việc tiếp tục hình 4.B Hình ảnh sau qua xử lý theo phân đoạn theo TiVi Index cung cấp nhiều thông tin vùng đỏ (Hình 5), từ đưa phân bố mức độ tập trung đánh giá kích thước, diện tích vùng hồng cầu Một cách trực quan để quan đỏ giúp ích cho việc chẩn đốn bệnh bác sát phân bố hồng cầu dựa biểu đồ sĩ Hình A) Ảnh đánh dấu vết đỏ bề mặt CTC; B) Ảnh phân đoạn vết đỏ loại bỏ Trên hình 5.A vị trí vùng đỏ sau phân nang (Hình 5.A) Hình ảnh phân đoạn cung đoạn đánh dấu màu xanh Nó cấp thơng tin vị trí, kích thước tương ứng với vùng có gam màu nóng vùng đỏ cách khách quan Hay nói cách hình 4.C Qua dễ dàng thấy khác, phân đoạn tự động thuật toán tập trung vết đỏ xung quanh Otsu cho hình ảnh trực quan nang Nabothian theo phần đánh dấu màu phân bố máu nang Nabothian Bên xanh dương tương ứng với biên dạng cạnh việc đánh dấu vùng đỏ bề mặt, 398 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 tách riêng vết (Hình 5.B) Việc tách riêng vùng đỏ có ý nghĩa việc xác định diện tích xác chúng Kết hợp với kết khác trình bày trên, đánh giá tình trạng phát triển nang ảnh hưởng mô xung quanh, đồng thời kết sở liệu hữu ích cho nghiên cứu sau KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Trong nghiên cứu này, dựa sở lý thuyết cần thiết việc cải tiến thiết bị soi CTC, phát triển thành Kỷ yếu khoa học công mô hình MSCTC sử dụng nguồn sáng Led phân cực đa bước sóng, thiết lập phần mềm quản lý liệu tự động chẩn đốn bệnh Hình ảnh ghi nhận có tính chất chống lóa bề mặt quan sát mạch máu Các kết thu được xem cách tiếp cận khách quan việc phát triển mơ hình MSCTC Trong tương lai hướng tới xây dựng chuẩn đầu theo chuẩn quốc tế HIS, LIS qua IoT để dễ dàng theo dõi, truy cập liệu người bệnh toàn giới giúp tiết kiệm lượng lớn chi phí thời gian TÀI LIỆU THAM KHẢO SMITH RA, MANASSARAM-BAPTISTE D, BROOKS D, COKKINIDES V, DOROSHENK M, SASLOW D, WENDER RC, BRAWLEY OW (2014) Cancer screening in the United States, 2014: A review of current American Cancer Society guidelines and current issues in cancer screening CA: A cancer journal for clinicians 64(1): 30-51 KAPSOKALYVAS D, BRUSCINO N, ALFIERI D, DE GIORGI V, CANNAROZZO G, CICCHI R, MASSI D, PIMPINELLI N, PAVONE FS (2013) Spectral morphological analysis of skin lesions with a polarization multispectral dermoscope Optics express 21(4):4826-4840 PEJHMAN GHASSEMI, TARYN E TRAVIS, LAUREN T MOFFATT, JEFFREY W SHUPP, AND JESSICA C RAMELLA-ROMAN (2014) A polarized multispectral imaging system for quantitative assessment of hypertrophyic scars Biomedical optics express 5(10): 3337-3354 H A TORKY (2016) Huge Nabothian cyst causing Hematometra (case report) European Journal of Obstetrics and Gynecology and Reproductive Biology 207:238-240 FERLAY J, SOERJOMATARAM I, DIKSHIT R, ESER S, MATHERS C, REBELO M, PARKIN DM, FORMAN D, BRAY F (2015) Cancer incidence and mortality worldwide: sources, methods and major patterns in GLOBOCAN 2012 International journal of cancer 136(5): E359-E386 399 ... đơn giản Hình Mơ hình máy soi cổ tử cung sử dụng nguồn sáng phân cực với máy soi (Hình 2) Chức Hệ thống phần mềm Ngồi điều khiển thủ cơng sử dụng cơng tắc chương trình kết nối camera với máy tính,... tự động chẩn đốn bệnh Mơ hình MSCTC có chức thu nhận hình ảnh camera chun dụng, sử dụng nguồn sáng phân cực với hai chế độ ánh sáng trắng ánh sáng xanh Hình Thiết bị máy cầm tay tiện lợi, chức... KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Trong nghiên cứu này, dựa sở lý thuyết cần thiết việc cải tiến thiết bị soi CTC, phát triển thành Kỷ yếu khoa học công mô hình MSCTC sử dụng nguồn sáng Led phân cực đa bước