Ứng dụng kỹ thuật quang học đa bước sóng trong chẩn đoán hình ảnh da liễu, nội soi và phụ khoa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN TIẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT QUANG HỌC ĐA BƯỚC SĨNG TRONG CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH DA LIỄU, NỘI SOI VÀ PHỤ KHOA LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN TIẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT QUANG HỌC ĐA BƯỚC SĨNG TRONG CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH DA LIỄU, NỘI SOI VÀ PHỤ KHOA Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số chuyên ngành: 62520401 Phản biện độc lập: TS BS Đặng Văn Khanh Phản biện độc lập: TS Lưu Gia Thiện Phản biện: PGS TS Lê Vũ Tuấn Hùng Phản biện: PGS TS BS Trần Công Toại Phản biện: TS Ngô Thị Minh Hiền NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS TS Huỳnh Quang Linh TS Phạm Thị Hải Miền LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan: - Đây cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức - Các kết nghiên cứu luận án trung thực, khách quan, áp dụng nguyên tắc đạo đức tuyên bố Helsinki, tuân thủ quy tắc đạo đức nghiên cứu Đại học Quốc gia TP.HCM, tuân thủ quy định theo Hướng dẫn quốc gia đạo đức nghiên cứu y sinh học Bộ Y tế nghiên cứu chẩn đoán điều trị người - Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Trần Văn Tiến i TÓM TẮT LUẬN ÁN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT QUANG HỌC ĐA BƯỚC SĨNG TRONG CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH DA LIỄU, NỘI SOI VÀ PHỤ KHOA Các nghiên cứu tương tác ánh sáng với mô sinh học ngày có khả phong phú việc xác định thơng tin sinh lý, hình thái thành phần mơ Vì mơ sinh học cấu thành từ nhiều lớp, nhiều thành phần không đồng mặt quang học nên tương tác quang học thông qua hấp thụ tán xạ loại mơ ứng với bước sóng kích thích khác có tính đặc thù mang tính mơ tả đầy đủ đặc điểm khác mô Trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh, ứng dụng tương tác ánh sáng với mô đạt kết đầy hứa hẹn việc khảo sát tính chất mô, hướng đến việc ứng dụng chế tạo cơng cụ chẩn đốn y khoa đại, an tồn, hữu ích nội soi, chẩn đoán tai mũi họng, da liễu, cổ tử cung Luận án tập trung nghiên cứu việc ứng dụng tương tác ánh sáng với mơ sinh học, kết hợp với thuật tốn xử lý hình ảnh đặc trưng để tạo nên phương pháp thiết bị hỗ trợ chẩn đoán hình ảnh y khoa số lĩnh vực chọn lọc liên quan đến chẩn đoán hình ảnh quang học bề mặt da, tai cổ tử cung Trên sở kết nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng, bốn hệ thống chụp ảnh thiết kế thử nghiệm thu nhận hình ảnh đối tượng khác bao gồm hệ thống chụp ảnh da, tĩnh mạch chi, nội soi tai cổ tử cung Nguồn sáng sử dụng hệ quang học nguồn sáng LED có độ sáng cao với phở bước sóng thay đởi kết hợp vùng khả kiến đến hồng ngoại gần Hình ảnh đối tượng thu nhận được xử lý phân tích thuật tốn tởng hợp hình ảnh xây dựng phát triển dựa kết hợp hình ảnh đa bước sóng nhằm tăng cường khả phân biệt mô đối tượng cấu trúc xung quanh Tiếp theo, thuật toán phân đoạn phù hợp sử dụng để phát trích xuất đối tượng giải phẫu cụ thể hình ảnh Kết quan trọng đạt luận án bao gồm: thứ nhất, nghiên cứu chứng minh tính hiệu dụng phương pháp đề xuất cách đánh giá tỷ lệ tương phản mô khác nhau; thứ hai, kết nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa bước sóng quan sát phân tách màng nhĩ tai người rằng, hình ii ảnh chiếu ánh sáng đỏ cho khả quan sát màng nhĩ rõ ràng, nhiễu, tách biệt với vùng da xung quanh đồng nhất; thứ ba, phương pháp tăng cường độ tương phản hai vùng biểu mô cổ tử cung thể ưu điểm quan trọng tạo hình ảnh hợp có độ tương phản tốt vùng biểu mô lát (phủ) biểu mô tuyến bề mặt cổ tử cung, tạo nên phương pháp soi cổ tử cung kỹ thuật quang học Các kỹ thuật quang học sử dụng nguồn sáng LED phù hợp đa dạng kết hợp kỹ thuật xử lý ảnh số phát triển phù hợp mở ứng dụng tiềm triển vọng chẩn đoán hình ảnh y khoa, đáp ứng tiêu chí xâm lấn tối thiểu, an tồn, nhanh chóng tiện dụng cách linh hoạt iii ABSTRACT APPLICATION OF MULTISPECTRAL SYSTEMS FOR THE DIAGNOSIS IN DERMATOLOGY, ENDOSCOPY, AND GYNECOLOGY Research of light interaction with biological tissue today has shown a good performance and created rich capabilities in determining information about the physiology, morphology, and composition of tissue Because the biological tissue is multilayered, multicomponent, and optically heterogeneous, the interaction of light with tissue through the model of photon absorption and scattering corresponding to different spectra of wavelength fully describes the specific biophysical characteristics of the tissue In the field of diagnostic imaging, the applications of light interaction with tissue have also achieved remarkable results in the investigation of tissue properties, towards the application and manufacture of modern, safe, and efficient medical diagnostic devices such as optical endoscopes used in otolaryngology and gynecology, dermatoscopy, vein finder, etc The thesis focused on studying the application of light interaction with biological tissue, combined with digital image processing techniques to create specific methods and devices supporting medical imaging in selected areas related to optical imaging of skin surface, middle ear, and neck uterus Based on experimental combined with simulation results, four imaging systems have been designed and tested to acquire images of different subjects including skin and limb veins imaging system, middle ear and cervical endoscopy The light source used in the mentioned optical system is high brightness LED light source with different distinct spectra from visible to NIR regions The images of the acquired objects were processed and analyzed by image fusion algorithms built and developed based on the combination of multispectral images with the aim to enhance the ability to distinguish tissue from surrounding structures Segmentation algorithms are used to detect and extract specific anatomical objects as well Remarkably new results of the thesis could be listed as follows: firstly, the effectiveness of the above proposed methods has been demonstrated by evaluating the contrast ratio of pathological morphologies in different tissues; secondly, the potential of using multi-wavelength imaging technique in the contrast enhancement of the iv tympanic membrane and malleus compared to the surrounding tissue in the human ear indicated that the red illuminated image not only fully enhanced the contrast of the object but also minimized the noise appearing in the image; and thirdly, a new algorithm for enhancing the blood contrast on the surface of the human cervical ectropion was proposed to produce a fused image of good contrast between the squamous epithelium and columnar epithelium regions on cervical ectropion Mentioned optical techniques using appropriate LED light sources, combined with properly developed digital image processing techniques, are opening up potential and promising applications in medical imaging, which meet the criteria of minimal invasiveness, safety, and flexibility to use v LỜI CẢM ƠN Để hồn thành tốt luận án này, tơi nhận hướng dẫn hỗ trợ mặt Nhà trường, quý Thầy Cô, anh chị, gia đình bạn Bằng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: • Ban Giám Hiệu, Phịng Đào tạo sau Đại học, Khoa Khoa học Ứng dụng trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập • PGS TS Huỳnh Quang Linh, TS Lý Anh Tú, TS Phạm Thị Hải Miền tận tình bảo, định hướng, truyền đạt kiến thức chuyên môn giải đáp thắc mắc để tơi hồn thành tốt luận án Các Thầy, Cô thuộc Bộ môn Vật lý Kỹ thuật y sinh, Vật lý Ứng dụng truyền đạt cho kiến thức, kỹ kinh nghiệm trình học tập • Các y bác sĩ bệnh viện Từ Dũ, bệnh viện Da liễu thành phố Hồ Chí Minh, bệnh viện Tai Mũi Họng thành phố Hồ Chí Minh tư vấn, hỗ trợ tơi cộng q trình lấy sỡ liệu, thực đánh giá liên quan đến y khoa • Gia đình, bạn bè người thân bên cạnh, ủng hộ động viên hồn thành luận án khả tốt • Sau cùng, tơi xin kính chúc q Thầy, Cô Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh quý Thầy, Cô môn Vật lý Kỹ thuật y sinh Vật lý Ứng dụng thật dồi sức khỏe, nhiều niềm vui để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau Tôi xin chân thành cảm ơn./ TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2022 Nghiên cứu sinh Trần Văn Tiến vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT LUẬN ÁN ii ABSTRACT iv LỜI CẢM ƠN vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .x DANH MỤC BẢNG BIỂU xvii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xviii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN Cơ sở tính chất vật lý xạ điện từ 1.1.1 Nguồn sáng LED 1.1.2 Sự phân cực ánh sáng 1.1.3 Tương tác ánh sáng với mô .10 Tổng quan ứng dụng chẩn đoán quang học 17 1.2.1 Giới thiệu chung 17 1.2.2 Tởng quan tình hình nghiên cứu bệnh da .18 1.2.3 Tổng quan nghiên cứu tai .28 1.2.4 Tởng quan tình hình nghiên cứu bệnh lý cổ tử cung .37 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48 Kỹ thuật chụp ảnh phân cực đa bước sóng 48 2.1.1 Mơ hình hình ảnh phân cực ánh sáng mô sinh học 48 2.1.2 Hệ thống hình ảnh đa bước sóng .50 Phương pháp thu nhận xử lý hình ảnh da 54 vii 2.2.1 Phương pháp thu nhận hình ảnh da 54 2.2.2 Phương pháp kết hợp hình ảnh da đa bước sóng 60 2.2.3 Đối tượng nghiên cứu da 62 Phương pháp thu nhận hình ảnh tai phân đoạn màng nhĩ 63 2.3.1 Phương pháp thu nhận hình ảnh tai 63 2.3.2 Phương pháp phân đoạn màng nhĩ 72 2.3.3 Đối tượng nghiên cứu tai 77 Phương pháp thu nhận xử lý hình ảnh soi CTC 78 2.4.1 Phương pháp thu nhận hình ảnh soi cở tử cung 78 2.4.2 Phương pháp tăng tương phản biểu mô lát – trụ .83 2.4.3 Đối tượng nghiên cứu phụ khoa 89 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .90 Kết nghiên cứu hình ảnh da liễu .90 3.1.1 Cơ sở liệu hình ảnh da 90 3.1.2 Kết tăng tương phản máu da .91 3.1.3 Kết tăng tương phản melanin da 93 3.1.4 Kết tăng tương phản keratin da 98 Kết nghiên cứu hình ảnh tai 104 3.2.1 Cơ sở liệu hình ảnh tai .104 3.2.2 Phân tích hình ảnh tai đa bước sóng .106 3.2.3 Kết phân tách vùng màng nhĩ 111 Kết nghiên cứu hình ảnh cở tử cung .113 3.3.1 Kết liệu hình ảnh CTC 113 3.3.2 Kết tăng tương phản nang Nabothian .114 3.3.3 Kết tăng tương phản biểu mô lát - trụ 116 viii ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN TIẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT QUANG HỌC ĐA BƯỚC SĨNG TRONG CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH DA LIỄU, NỘI SOI VÀ PHỤ KHOA Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật. .. 49 Hình 2.3 Mơ hình hình ảnh quang phở; a Mơ hình so sánh hình ảnh đơn sắc, RGB, quang phổ, MSI HSI; b Sự khác biệt hình ảnh HSI RGB [111] 52 Hình 2.4 Các kỹ thuật chụp ảnh đa bước sóng; ... ảnh da đa bước sóng 60 Hình 2.13 Sơ đồ khối mơ hình thiết bị soi tai đa bước sóng: – Khối nguồn; – Cáp quang học; – Ống nội soi cứng; – camera; – Máy tính hình hiển thị 63 Hình 2.14 Mơ hình