Nghiên cứu phân loại u trong siêu âm sóng biến dạng sử dụng lọc tối ưu và thuật toán cây quyết định

ÐẠI HOC QUOC GIA HÀ N®I TRƯỜNG ÐẠI HOC CƠNG NGHỆ - - NGUYỄN HỮU NAM NGHIÊN CỨU PHÂN LOẠI U TRONG SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG SỬ DỤNG LOC TỐI ƯU VÀ THUẬT TOÁN CÂY QUYẾT ÐỊNH UẬN V N THẠC CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ N I – 2017 ÐẠI HOC QUOC GIA HÀ N®I TRƯỜNG ÐẠI HOC CƠNG NGHỆ - - NGUYỄN HỮU NAM NGHIÊN CỨU PHÂN LOẠI U TRONG SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG SỬ DỤNG LOC TỐI ƯU VÀ THUẬT TOÁN CÂY QUYẾT ÐỊNH Ng nh: C ng Nghệ Kỹ thuật Ðiện tử, Truyền thông Chuy n ng nh: Kỹ thuật Ðiện tử Mã số: 60520203 UẬN V N THẠC CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC: PGS.TS TRẦN ÐỨC TÂN HÀ N I – 2017 ỜI N I ÐẦU Nhiều bệnh lý mô thể nhận biết thay đổi hình thái, tính chất học mơ mềm Hình ảnh siêu âm tạo sóng biến dạng cung cấp th ng tin định lượng tính chất học mô mềm, cụ thể sử dụng phương pháp modun shear phức (CSM) Những tiến lĩnh vực tiềm để làm cầu nối sinh học phân tử, sinh học mô mềm chẩn đoán điều trị cho bệnh nhân Luận văn n y thực việc nghiên cứu, đề xuất thuật tốn cho phép mơ phỏng, phân loại độ đ n hồi v độ nhớt vùng khảo sát gan Nâng cao chất lượng hình ảnh siêu âm Thứ nhất, tạo kịch thực tế để nhận hình ảnh si u âm v sau th m nhiễu để làm cho giống hình ảnh siêu âm thực tế Thứ hai, sử dụng phương pháp khác để loại bỏ nhiễu tìm cách tốt để có hình ảnh tương tự so với hình ảnh ban đầu (khơng có nhiễu), đồng thời dùng sóng biến dạng thuật tốn để phân loại vùng gan bị bệnh v gan bình thường Kết từ nghiên cứu tiền đề quan trọng việc sử dụng sóng biến dạng sử dụng để phát phân loại số trạng thái quan trọng mơ phục vụ cho xét nghiệm tầm sốt bệnh Trong tương lai, nâng cao hiệu xuất phân loại phát triển thêm mô phỏng, thử nghiệm mơ hình 3D LỜI CẢM ƠN Luận văn n y thực trường Ðại học Công Nghệ - Ðại học Quốc Gia Hà Nội dước hướng dẫn tận tình PGS.TS Trần Ðức Tân Trước hết muốn gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Trần Ðức Tân, người hướng dẫn tôi, sai sót v đưa ý kiến thời gian tơi thực nghiên cứu Nếu khơng có bảo thầy, tơi gặp nhiều khó khăn để hoàn thành luận văn n y Luận văn hỗ trợ phần từ đề tài mã số CA.17.6A trung tâm Hỗ trợ Nghiên cứu châu Á tài trợ T i xin gửi lời cảm ơn đến thầy bạn khóa cao học K22, Khoa Ðiện Tử - Viễn Th ng có góp ý, nhận xét thẳng thắn cho luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình t i, quan t i l m việc động viên, tạo điều kiện, nu i dưỡng tơi tình u khoa học ủng hộ tơi hồn thành luận văn n y LỜI C M Ð N T i xin cam đoan nội dung luận văn n y l sản phẩm trình học tập, nghiên cứu cá nhân hướng dẫn bảo thầy hướng dẫn môn Luận văn kh ng chứa tài liệu xuất viết người khác mà không ghi rõ nguồn tham khảo trích dẫn Nếu vi phạm, xin chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2017 Người thực Nguyễn Hữu Nam MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC ẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Hiệu ứng Doppler 1.3 Siêu âm Doppler 1.3.1 Siêu âm Doppler sóng liên tục .5 1.3.2 Siêu âm Doppler xung 1.3.3 Siêu âm Doppler màu 1.3.4 Si u âm Doppler lượng 10 1.4 Ứng dụng 11 1.5 Ðóng góp v tổng quan luận án 12 CHƯƠNG 2: NGUYÊN L H ẠT Ð NG 13 2.1 Sóng biến dạng 13 2.1.1 Ðịnh nghĩa sóng biến dạng .13 2.1.2 Ðặc tính sóng biến dạng 13 2.2 Module shear phức (CSM) 13 2.3 Ước lượng modun shear phức 15 2.4 Giới thiệu MLEF 18 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ÐỀ XUẤT VÀ KẾT QUẢ .23 3.1 Phương pháp đề xuất 23 3.2 Mô kết 25 KẾT LUẬN .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO .39 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT K ệ Ðn MLEF Tiếng Anh Maximum Likelihood Ensemble Filter Tiếng Việt Bộ lọc tối đa hóa khả xảy CSM Complex Shear Modulus Modun Shear phức SNR Signal – To- Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu MRI Magnetic Resonance Imaging OCT Optical coherence tomography Chụp cắt lớp quang học kết hợp ROI Region of Interest DT Decision – Tree EVD Eigenvalue Decomposition ρ 𝜇 (⃗) Chụp cộng hưởng từ Vùng khảo sát Thuật toán định Giá trị riêng kg/m3 Mật độ khối lượng rad/s Tần số dao động kPa Ðộ đàn hồi Pa.s Ðộ nhớt m i trường Hàm mục tiêu Số sóng phức Hệ số suy giảm Pha thời gian ban đầu DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các thơng số vài trạng thái điển hình gan 25 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hiệu ứng Doppler Hình 1.2: Nguyên lý Doppler liên tục .6 Hình 1.3: Sơ đồ siêu âm Doppler xung .7 Hình 1.4: Sơ đồ cửa ghi Doppler .8 Hình 1.5: Ðánh giá dịng chảy tĩnh mạch gan Doppler màu 10 Hình 1.6: Si u âm Doppler lượng cho thấy vị trí viêm .11 Hình 2.1: Hệ thống tạo dao động ước lượng sóng biến dạng thu 15 Hình 2.2: Tia quét vùng khảo sát (ROI) 17 Hình 3.1: Phân loại u sử dụng thuật toán (DC) 24 Hình 3.2: Vận tốc lý tưởng (khơng nhiễu) .27 Hình 3.3: Vận tốc theo thời gian 27 Hình 3.4: Ảnh quét tia độ đàn hồi độ nhớt 28 Hình 3.5: Ảnh ước lượng độ đàn hồi nhờ sử dụng MLEF 28 Hình 3.6: Ảnh ước lượng độ nhớt nhờ sử dụng MLEF 29 Hình 3.7: Ðộ đàn hồi lý tưởng O1(r) 30 Hình 3.8: Ðộ nhớt lý tưởng O2(r) .31 Hình 3.9: M hình độ đàn hồi hàm O1(r) bổ sung độ đàn hồi gan bình thường (tại 2.08 kPa) thấy mơ ngồi ROI .32 Hình 3.10: Ước lượng dọc theo tia thứ 20 33 Hình 3.11: Ước lượng dọc theo tia thứ 40 33 Hình 3.12: Ước lượng dọc theo tia thứ 60 34 Hình 3.13: Ước lượng dọc theo tia thứ 20 .34 Hình 3.14: Ước lượng dọc theo tia thứ 40 .35 Hình 3.15: Ước lượng dọc theo tia thứ 60 .35 Hình 3.16: Ðộ đàn hồi sau khôi phục 36 Hình 3.17: Ðộ nhớt sau khơi phục .36 Hình 3.18: Ảnh mơ CSM thể ba loại khác mô mềm ( xơ gan phần, xơ gan tồn phần m bình thường) vùng khảo sát (ROI) sau sử dụng lọc trung vị 37 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung Hiện nay, việc sử dụng nguồn phóng xạ lĩnh vực y tế phổ biến nhằm phục vụ công tác chẩn đoán điều trị bệnh chụp X quang, máy xạ trị Tuy nhiên, loại có ưu nhược điểm đ i gây tác hại nguy hiểm cho chuyên gia y tế, bệnh nhân m i trường [10] Theo nhà nghiên cứu Ðại học Oxford - Anh, họ tin 0.6% nguy ung thư xuất phát từ tia X Bằng cách sử dụng "Hình ảnh cộng hưởng từ", kiểm tra sử dụng từ trường xung lượng sóng vơ tuyến để tạo ảnh quan cấu trúc b n thể khơng sử dụng X-quang [10] Phương pháp chụp hình ảnh kh ng đàn hồi thường sử dụng si u âm (US), chụp cộng hưởng từ (MRI) chụp cắt lớp quang học kết hợp (OCT) Những kỹ thuật hứa hẹn cho thấy khác tổn thương vú lành tính ác tính, xác định tình trạng vi m gan, đánh giá độ co dãn tim, kiểm tra ung thư tuyến tiền liệt khảo sát đặc tính lưu biến não người để chẩn đốn q trình thối hóa thần kinh Khi theo dõi tiến triển bệnh, m i trường tế bào có vai trị quan trọng sử dụng phương pháp chẩn đốn hình ảnh đàn hồi phát triển khối u từ khác biệt m i trường tế bào chẩn đốn, phân biệt m bình thường m bị bệnh [6] Sử dụng MRI biết hình ảnh cấu trúc m mềm b n thể, chẳng hạn tim, phổi nhiều vùng khác với độ chi tiết cao số phương pháp khác Ðiều giúp bác sĩ phân tích chức cấu trúc nhiều quan nội tạng, kh ng ảnh hưởng nhiều đến sức khoẻ X-quang Giúp chẩn đoán nhanh xác bệnh Tuy nhiên, có số bất lợi phương pháp là: - Thời gian chẩn đốn tốn nhiều thời gian - Khó sử dụng trường hợp khẩn cấp - Các bệnh nhân sử dụng thiết bị hỗ trợ kim loại nguyên nhân gây nhiễu ảnh sử dụng RMI - Các bệnh nhân có thai trước tháng kh ng phép sử dụng Si u âm đàn hồi (Elastography) sử dụng để giảm đồng bề mặt tr n thể có biến dạng m [14] Ðàn hồi tĩnh (Strain Elastography) dựa vào kết kiểm tra để hiệu chỉnh nhằm có kết tốt Các máy si u âm thực tính tốn hiệu chỉnh biến dạng hình ảnh tính đàn hồi m thường kh ng xác Kỹ thuật kh ng định lượng, phụ thuộc nhiều vào người vận hành [14] Với si u âm đàn hồi ti u chuẩn, mẫu cố định (gọi Stress) đàn hồi (gọi Strain) Mặc dù có nhiều phương pháp khác để kiểm tra độ đàn hồi đàn hồi tĩnh th ng thường ta dùng máy si u âm vùng m cần khảo sát để xem hình ảnh siêu âm [14] Chuyển động m đo cách theo dõi vị trí A so sánh hình ảnh vị trí B trước sau nhấn giữ đẩy đi, cách dễ để đo độ biến dạng Ðàn hồi tĩnh thời gian thực thực theo phương pháp trượt chiều để đo phần b n vùng khảo sát Với đàn hồi tĩnh đo thời gian thực, tính đàn hồi xác định xác người bệnh đến khám Thường có nhiều biến dạng thu thập th ng tin thời gian thực, n n trình lấy mẫu thực nhiều lần Hình ảnh chất lượng bác sĩ lựa chọn, lựa chọn tối ưu bác sĩ phụ thuộc vào biến dạng hình dạng đối tượng khảo sát Ðặc biệt liên quan đến chẩn đoán y khoa, độ đàn hồi (Viscoelasticity) có liên quan đến thay đổi bệnh lý mô mềm [14] Ước lượng thông số modun shear phức (CSM) hay ước lượng số sóng suy giảm truyền sóng sóng biến dạng (ShearWave), ước lượng cách sử dụng hình ảnh sóng siêu âm [14] Khi sử dụng sóng biến dạng để tái tạo hình ảnh si u âm, ta có kết tốt xác hơn, kh ng phụ thuộc vào xét nghiệm bác sĩ hình dáng bất thường