ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGÔ THỊ THU AN
KHẢO SÁT SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI TRONG MÔ VÚ
Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Trung Nghĩa
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Lê Vũ Tuấn Hùng Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Huỳnh Quang Linh
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM ngày 16 tháng 7 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch Hội đồng: TS Lý Anh Tú
2 Thư ký: TS Nguyễn Trung Hậu
3 Phản biện 1: PGS TS Lê Vũ Tuấn Hùng 4 Phản biện 2: PGS TS Huỳnh Quang Linh 5 Ủy viên: PGS TS Phạm Thị Thu Hiền
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên: Ngô Thị Thu An MSHV: 2170302
Ngày tháng năm sinh: 05/04/1996 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Mã số: 8520401
I TÊN ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI TRONG MÔ VÚ INVESTIGATE INFRARED LIGHT PROPAGATION IN BREAST TISSUE II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Giải phẫu vú và sự bất thường ở vú
- Đánh giá các phương pháp chẩn đoán trong phát hiện sự bất thường ở vú - Xây dựng mơ hình vú mơ phỏng 3D
- Mơ hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mơ vú
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS Trần Trung Nghĩa – Phịng Thí nghiệm Cơng nghệ Laser - Khoa Khoa học Ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM
Tp HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TS Trần Trung Nghĩa PGS TS Huỳnh Quang Linh
TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
Trang 4i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô khoa Khoa Học Ứng Dụng của trường đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học cao học tại trường
Tôi xin được gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy TS Trần Trung Nghĩa, thầy đã tận tình, hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn này
Tơi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp tôi có thêm động lực để hồn thành đề tài
TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023
Học viên
Trang 5ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
KHẢO SÁT SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI TRONG MÔ VÚ
Chụp nhũ ảnh là cách phổ biến và hiệu quả nhất để phát hiện sớm ung thư vú Tuy nhiên, chụp nhũ ảnh chỉ cho thấy cấu trúc vú chứ không thể cho biết nhiều về trạng thái sinh lý của vú Các phương pháp khám lâm sàng hay tự xét nghiệm đều có tỷ lệ dương tính giả và tác dụng phụ khơng mong muốn nên cần có phương pháp chẩn đốn hình ảnh mới để thuận tiện cho việc chẩn đoán Các phương thức hình ảnh quang học như chụp cắt lớp quang học khuếch tán (DOT) hoặc chụp ảnh thấu quang đã được đề xuất với mong muốn phát triển một kỹ thuật khơng xâm lấn, chi phí thấp, thân thiện với bệnh nhân, khơng sử dụng bức xạ khơng ion hóa Những phương thức hình ảnh mới này có thể bổ sung cho các phương pháp truyền thống như một công cụ sàng lọc bổ sung Chụp ảnh thấu quang được xem như một phương pháp tiềm năng trong các ứng dụng để chẩn đoán sự bất thường ở vú trong giai đoạn sớm ở dải bước sóng cận hồng ngoại, việc xây dựng các mơ hình thực nghiệm một để làm rõ sự tương tác giữa ánh sáng với mô sinh học giúp đánh giá tính khả dụng của thiết bị hiệu quả hơn
Trang 6iii
ABSTRACT
INVESTIGATE INFRARED LIGHT PROPAGATION IN BREAST TISSUE
Trang 7iv
Trang 8v
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Trung Nghĩa Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc
TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023
Học viên
Trang 9vi
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT LUẬN VĂN ii
ABSTRACT iii
LỜI CAM ĐOAN v
DANH MỤC HÌNH ẢNH x
DANH MỤC BẢNG BIỂU x
DANH MỤC VIẾT TẮT xi
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu đề tài 2
1.3 Nhiệm vụ đề tài 3
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 4
2.1 Giải phẫu và cấu trúc vú ở phụ nữ trưởng thành 4
2.1.1 Đặc điểm giải phẫu 4
2.1.2 Mạch máu và dây thần kinh ở vú 5
2.1.3 Sinh lý vú 62.2 Các vấn đề bất thường ở vú 72.2.1 Các khối u lành tính 72.2.2 Ung thư vú 82.3 Các kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh ở vú 112.3.1 Chụp X – quang tuyến vú 12
2.3.2 Phương pháp chụp Cộng hưởng từ (MRI) 13
Trang 10vii
2.4 Kỹ thuật hình ảnh thấu quang hồng ngoại gần (NIR - Transillumination) 15
2.5 Quang học mô và lan truyền ánh sáng trong mô sinh học 17
2.5.1 Sự phản xạ và khúc xạ 18
2.5.2 Sự hấp thụ 19
2.5.3 Sự tán xạ 20
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
3.1 Phương trình vận chuyển bức xạ (RTE) 21
3.2 Mơ hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mơ sinh học bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo 23
3.2.1 Tạo các biến số ngẫu nhiên 24
3.2.2 Quy tắc lan truyền photon 26
3.2.2.1 Chiếu chùm photon 26
3.2.2.2 Xác định bước đi của photon và xác định vị trí mới của photon 27
3.2.2.3 Sự hấp thụ và tán xạ photon 29
3.2.2.4 Sự phản xạ và truyền tại biên các lớp mô 30
3.2.2.5 Chấm dứt photon 32
3.3 Phương trình phần tử hữu hạn (FEM) 33
3.4 Chương trình mơ phỏng MOSE [33] 34
3.5 Phần mềm mô phỏng 3D COMSOL Multiphysics 36
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 38
4.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng 38
4.1.1 Mơ hình mơ phỏng ở phần mềm MOSE 39
4.1.2 Mơ hình mơ phỏng với COMSOL 41
4.2 Kết quả mô phỏng với chương trình MOSE 43
Trang 11viii
4.2.1.1 Trong mơ vú bình thường 43
4.2.1.2 Trong mơ vú có tồn tại khối u 44
4.2.2 Hình ảnh thấu quang 45
4.3 Kết quả mô phỏng với COMSOL 46
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 48
5.1 Kết luận 48
5.2 Hạn chế 49
5.3 Hướng phát triển 49
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 51
Trang 12ix
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Cấu tạo các lớp của ngực từ ngoài vào trong 4
Hình 2.2 Các khối u lành tính ở ngực 7
Hình 2.3 Các giai đoạn của ung thư vú bao gồm: T1, T2, T3, T4 10
Hình 2.4 Mơ hình kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp khuếch tán (DOT) [22] 17
Hình 2.5 Hình ảnh thể hiện các sự tương tác khác giữa ánh sáng với mơ sinh học [23] 18
Hình 2.6 Sự lan truyền ánh sáng vào hai mơ có chiết suất n và n’’ [24] 19
Hình 3.1 Tương tác của ánh sáng bên trong mô với các chế độ khác nhau 23
Hình 3.2 Quá trình tìm được biến số ngẫu nhiên 𝜒 25
Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn tiêu chuẩn của mơ hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học dựa trên phương pháp mơ phỏng Monte Carlo 26
Hình 4.1 Quy trình tái tạo mơ hình vú 3 chiều 38
Hình 4.2 Kết quả xây dựng mơ hình vú 39
Hình 4.3 Mơ hình vú bình thường 40
Hình 4.4 Mơ hình vú có khối u (hình elip màu vàng) 40
Hình 4.5 Mơ hình mô phỏng trong MOSE với vị trị chiếu và mặt phẳng detector 41
Hình 4.6 Mơ hình vú được xây dựng bằng ảnh MRI trong phần mềm COMSOL 41
Hình 4.7 Mơ hình vú được xây dựng bằng ảnh MRI và được tiến hành chia lưới trong COMSOL 42
Hình 4.8 Mơ hình vú có tồn tại khối u nằm bên vú bên phải được xây dựng bên trong COMSOL 42
Hình 4.9 Thiết lặp mơ hình mơ phịng trong COMSOL ở hai kịch bản 43
Hình 4.10 Mật độ photon của mơ hình vú bình thường ở (a) mặt phẳng x-y, (b) mặt phẳng y-z và (c) mặt phẳng x-z 44
Hình 4.11 Mật độ photon của mơ hình vú bất thường ở (a) mặt phẳng x-y, (b) mặt phẳng y-z và (c) mặt phẳng x-z 45
Hình 4.12 Hình ảnh ánh sáng thấu quang của mơ vú: (a) Mơ bình thường và 46
Hình 4.13 Phân bố bức xạ chuẩn hóa ở mơ hình vú bình thường 47
Trang 13x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang 14xi
DANH MỤC VIẾT TẮT
WHO World Health Organizition Tổ chức Y tế Thế giới GLOBOCAN Global Cancer Observatory Tổ chức Ung thư Toàn cầu
NIR Near Infrared Cận hồng ngoại
MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp ảnh cộng hưởng từ PET Positron Emission Tomography Chụp cắt lớp phát xạ positron SPECT Single Photon Emission
Computed Tomography
Trang 151
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Ung thư là một trong những mối quan tâm hàng đầu trên thế giới Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) năm 2020, tỉ lệ mắc ung thư và tử vong do ung thư ngày càng có xu hướng tăng trên toàn cầu với gần 10 triệu ca tử vong, dẫn đầu trong đó là ung thư vú với tỉ lệ mắc bệnh gần 2.3 triệu ca và số bệnh nhân tử vong trên toàn cầu vào năm 2020 là 685.000 người [1] Tại Việt Nam, ung thư vú là một trong những loại ung thư phổ biến với 21.555 ca mắc chiếm 11.8% số ca mắc ung thư vào năm 2020 chỉ sau ung thư phổi và ung thư gan [2]
Theo báo cáo của WHO, phần lớn tỉ lệ bị mắc và tử vong do ung thư tập trung ở các nước đang phát triển, nơi mà vấn đề sức khỏe vẫn chưa được hoàn toàn chú trọng Có nhiều nguyên nhân dẫn dẫn đến tỉ lệ mắc và tử vong do ung thư tăng cao và một trong những nguyên nhân phổ biến nhất là bởi sự chậm trễ trong việc phát hiện các dấu hiệu bất thường trước ung thư, đặc biệt là ở ung thư vú [3, 4]
Trang 162
cho đến hiện nay các kỹ thuật này còn các hạn chế khác nhau chẳng hạn như bức xạ ion hóa, vấn đề chi phí, [5, 6]
Do đó, việc phát triển một phương thức mới không sử dụng bức xạ ion hóa, chi phí thấp với độ chính xác cao để phát hiện sớm những dấu hiện bất thường ở vú đang trở thành một trong những nhu cầu cấp thiết
Trong những năm gần đây, việc sử dụng hình ảnh hồng ngoại trong việc chẩn đốn ở vú đang trở nên ngày càng phổ biến hơn bởi khả năng ưu việt của ánh sáng hồng ngoại gần trong đánh giá khả năng tưới máu, thành phần các chất trong cơ thể, Phương pháp này cho thấy có nhiều ưu điểm như khơng có bức xạ ion hóa, chi phí thiết kế đơn giản và rẻ tiền hơn so với các phương pháp hiện có và đặc biệt là có thể dùng trong các nghiên cứu tầm sốt lặp đi lặp lại nhiều lần [7, 8]
Tuy nhiên, để phát triển một phương thức sử dụng kỹ thuật hình ảnh hồng ngoại trong việc chẩn đoán ung thư vú ở giai đoạn sớm là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn khác nhau Trong giới hạn đề tài luận văn thạc sĩ này, tác giả tiến hành mô phỏng sự lan truyền của ánh sáng hồng ngoại trong mơ hình vú được xây dựng bằng bộ ảnh MRI ở kịch bản mơ hình vú bình thường và mơ hình vú có tồn tại khối u để đánh giá sự tương tác của ánh sáng đến các mơ hình vú được thiết lập Kết quả của nghiên cứu mang tính đóng góp cơ sở cho các giai đoạn đầu tiên trong việc phát triển một phương thức chẩn đoán sự bất thường ở vú bằng ánh sáng cận hồng ngoại
1.2 Mục tiêu đề tài
Đề tài: “KHẢO SÁT SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI TRONG MÔ VÚ” cung cấp các định hướng đầu tiên trong việc phát triển một phương thức mới sử dụng
ánh sáng hồng ngoại trong việc chẩn đoán sớm sự bất thường ở vú phụ nữ Mục tiêu của đề tài là hiểu rõ sự tương tác của ánh sáng hồng ngoại trong mô vú ở hai kịch bản: mô hình vú bình thường và mơ hình vú có khối u ác tính từ đó đưa ra được các đánh giá tiềm năng của việc ứng dụng kỹ thuật hình ảnh hồng ngoại trong chẩn đoán ung thư vú
Trong đó, đề tài nghiên cứu này được tác giả thiết kế gồm có các mục tiêu chính như sau:
Mục tiêu thứ nhất: Tổng quan và phân tích các vấn đề liên quan đến đề tài bao gồm:
Trang 173
Mục tiêu thứ hai: Tổng quan các cơ sở lý thuyết liên quan đến sự tương tác của ánh
sáng trong mô sinh học nói chung và phương pháp mơ hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học;
Mục tiêu thứ ba: Xây dựng mơ hình mơ phỏng và tiến hành mô phỏng sự lan truyền
ánh sáng trong mô vú bằng phần mềm chuyên dụng
1.3 Nhiệm vụ đề tài
Để hoàn thành các mục tiêu được đặt ra, trong quá trình nghiên cứu, tác giả xây dựng các phần nhiệm vụ chính, cụ thể như sau:
Nhiệm vụ thứ nhất: Trước tiên, tổng quan các vấn đề liên quan đến cấu tạo và các
bệnh liên quan đến vú, các kỹ thuật dùng trong chẩn đoán ung thư vú và tổng quan các cơ sở lý thuyết liên quan đến tài;
Nhiệm vụ thứ hai: Tiến hành xây dựng mô hình vú bằng bộ ảnh MRI bằng phần
mềm chuyên dụng và thiết kế các thí nghiệm mơ phỏng
Nhiệm vụ thứ ba: Tiến hành mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mơ hình vú ở
các kịch bản được thiết lập bằng các phần mềm chuyên dụng
Nhiệm vụ thứ tư: Tiến hành bàn luận các kết quả để đưa ra các kết luận liên quan
Trang 184
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
2.1 Giải phẫu và cấu trúc vú ở phụ nữ trưởng thành
2.1.1 Đặc điểm giải phẫu
Ở phụ nữ trưởng thành, vú nằm giữa xương sườn 2- 6 theo trục dọc và giữa bờ xương ức với đường nách giữa trên trục ngang Trung bình, đường kính vú đo được là 10-12 cm, và dày 5-7 cm ở vùng trung tâm Hình dạng của vú rất thay đổi nhưng thường có hình như cái nón ở phụ nữ chưa sinh đẻ và có thể chảy xệ ở những phụ nữ đã sinh đẻ như mô tả trong hình 1.1 Phần mơ tuyến được chia thành 15-20 phân thuỳ, tất cả đều tập trung về núm vú thông qua các ống dẫn sữa Vú được cấp máu chủ yếu từ các động mạch vú trong và động mạch ngực bên Các cơ quan trọng ở vùng vú là cơ ngực lớn và cơ ngực bé, cơ răng trước, cơ lưng, cũng như các mạc của cơ chéo ngồi và cơ thẳng bụng
Hình 2.1 Cấu tạo các lớp của ngực từ ngoài vào trong [2]
Núm vú thường nằm ở khoang liên sườn 4, giao với đường 1/3 ngồi xương địn, là nơi đổ ra của khoảng 5-10 ống dẫn sữa Kích thước núm vú có thể thay đổi, trung bình dài 10-12 mm, rộng khoảng 9-10 mm, nằm trên nền da sẫm màu gọi là quầng vú Núm vú có chứa các tận cùng thần kinh cảm giác, bao gồm các thể Ruffini và các hành tận cùng của Krause Ngồi ra cịn có các tuyến bã và tuyến bán hủy nhưng khơng có các nang lông
Trang 195
Cấu tạo của tuyến vú ở nữ giới thay đổi tuỳ theo giai đoạn phát triển cơ thể Đến tuổi dậy thì, tuyến vú bắt đầu phát triển, mỗi tuyến vú được tạo nên từ 15-20 thuỳ tuyến; mỗi thuỳ tuyến gồm nhiều tiểu thuỳ tuyến nằm rải ra trong tổ chức liên kết đệm và tổ chức mỡ của tuyến vú Ở thời kỳ cho con bú tuyến vú phát triển đầy đủ nhất, mỗi thuỳ tuyến là một tuyến ngoại tiết kiểu chùm nho Các nang tuyến được cấu tạo bởi hai loại tế bào: tế bào chế tiết và tế bào cơ-biểu mơ Bao bọc bên ngồi bởi màng đáy Sau khi mãn kinh, tuyến vú thoái triển, trong mơ liên kết dưới da chỉ cịn sót lại ít đám ống bài xuất nằm rải rác [10] Cấu trúc vú gồm 3 thành phần: da, mô dưới da và mơ vú, trong đó mơ vú bao gồm cả mô tuyến và mô đệm [11]:
- Phần mô tuyến được chia thành 15-20 thùy không đều, liên kết với nhau tạo thành Giữa các thùy được ngăn cách bởi các vách liên kết, mỗi thùy chia ra nhiều tiểu thùy được tạo nên từ nhiều nang tuyến tròn hoặc dài, đứng thành đám hoặc riêng rẽ, cấu trúc 2-3 nang tuyến đổ chung vào các nhánh cuối cùng của ống bài xuất trong tiểu thùy Các ống này đổ vào các nhánh gian tiểu thùy và tập hợp lại thành các ống lớn hơn, cuối cùng các ống của mọi tiểu thùy đều đổ vào núm vú qua ống dẫn sữa Khi có hiện tượng tiết sữa, sữa từ các tiểu thuỳ sẽ được đổ vào các ống góp có ở mỗi thuỳ, rồi tới các xoang chứa sữa dưới quầng vú Có tất cả khoảng 5 đến 10 ống dẫn sữa mở ra ở núm vú
- Mô dưới da và mô đệm của vú bao gồm mỡ, các mô liên kết, mạch máu, sợi thần kinh và bạch huyết Mô đệm nâng đỡ các tiểu thùy có cấu trúc giống như mơ liên kết trong tiểu thùy và nối liền với mô xung quanh các ống dẫn Trong thời kì khơng mang thai và khơng cho con bú, số lượng mô đệm nâng đỡ các tiểu thùy quyết định kích thước và độ chắc của vú
- Da vùng vú mỏng, bao gồm các nang lông, tuyến bã và các tuyến mồ hôi Núm vú và quầng vú có một cấu trúc chung là cơ và da, hai loại cơ chạy vòng và lan tỏa đan chéo vòng quanh để tạo lên cơ quầng vú, một mặt chúng tạo lên sườn núm vú, mặt khác chúng tỏa vào sâu bao lấy các ống dẫn sữa chính
2.1.2 Mạch máu và dây thần kinh ở vú
Động mạch: Vú được cấp máu chủ yếu từ các động mạch vú trong và động mạch vú
Trang 206
Động mạch vú ngoài: tách từ động mạch nách, đi từ trên xuống dưới sát bờ trong của hõm nách đến cơ răng to, cho các nhánh ni dưỡng mặt ngồi vú, phần ngoài cơ ngực và nhánh tiếp nối với động mạch vú trong
Động mạch vú trong: tách từ động mạch dưới địn, ni dưỡng phần cịn lại của vú
Tĩnh mạch: đổ vào tĩnh mạch nách, tĩnh mạch vú trong và tĩnh mạch dưới đòn Tĩnh
mạch nách ở nông tạo thành mạng tĩnh mạch Haller Mạng tĩnh mạch nông này chảy vào tĩnh mạch sâu, rồi đổ vào tĩnh mạch vú trong, tĩnh mạch vú ngoài và tĩnh mạch cùng - vai - ngực
Thần kinh: nhánh thần kinh bì cánh tay trong của đám rối cổ nông chi phối phần
nửa ngoài của vú Các nhánh nhỏ từ thần kinh liên sườn II, III, IV, V, VI chi phối nửa trong của vú
2.1.3 Sinh lý vú
Trang 217
yếu tố cơ địa và chất béo giảm dần, các dây chằng chéo Cooper giãn ra dẫn đến vú bị xệ và mất đường viền [10 - 12]
2.2 Các vấn đề bất thường ở vú
Bệnh tuyến vú là một trong những bệnh có tỉ lệ mắc khá cao ở phụ nữ, thường được chia thành hai nhóm: bệnh tuyến vú khơng do u và bệnh tuyến vú do u Trong nhóm bệnh tuyến vú do u, ung thư vú thuộc nhóm hàng đầu gây tử vong do ung thư nói chung ở phụ nữ Việt Nam và thế giới
2.2.1 Các khối u lành tính
Có hai loại: U nang và u tuyến xơ như mơ tả trong Hình 2.2
Hình 2.2 Các khối u lành tính ở ngực
U nang tuyến vú thường là một hoặc nhiều khối hình trịn hoặc bầu dục, ranh giới rõ, di động, có thể kèm theo triệu chứng đau khi sờ nắn, có thể có ở một hoặc cả 2 bên vú Một u nang lớn là một túi chứa đầy dịch, trông rất giống một bọng nước lớn, phát triển ở giữa mô tuyến vú; với mặt ngồi nhẵn và có rãnh ở mặt trong, do vậy nếu đẩy vào khối u nang có thể cảm thấy nó chứa dịch Tuy nhiên, có thể bị nhầm lẫn do chỉ những u nang gần bề mặt mới có cảm giác này, cịn những u nang ở sâu trong mô vú sẽ đẩy mô vú căng lên và sẽ nhận thấy là mô tuyến vú rắn chắc, không phải mô mềm Trong những trường hợp này u nang cảm giác giống một u rắn
Trang 228
kích thước thường 2 - 3cm, di động, khơng đau và đơn dạng, ít khi gặp 2 hay nhiều u (7-16%) U có thể ở một bên hoặc 2 bên vú Về lâm sàng và X-Quang có thể nhầm với nang vú hoặc hạch lympho trong vú Kích thước khối u từ rất nhỏ 5mm đến kích thước bằng quả chanh 5cm, lớn nhất gọi là u tuyến xơ khổng lồ U tuyến xơ thường thấy rõ trên phim chụp vú hoặc siêu âm Sinh thiết cũng có thể chỉ ra u tuyến xơ Bản thân u tuyến xơ là vô hại và không cần phải cắt bỏ khi chúng ta chắc chắn là u tuyến xơ Phụ nữ trẻ có xu hướng bị u tuyến xơ nhiều hơn và có ít khả năng bị ung thư vú hơn phụ nữ nhiều tuổi hơn, do đó khơng cần phải cắt bỏ u tuyến xơ ở phụ nữ trẻ Nhưng ở phụ nữ trung niên và người nhiều tuổi hơn lại nên cắt bỏ tất cả những u tuyến xơ để chắc chắn họ không bị ung thư
U dạng lá là u biểu mô xơ hiếm gặp của tuyến vú (0,2 - 1% các u nguyên phát của vú), cần phải phân biệt với u tuyến xơ do tổn thương cũng có thành phần trung mơ Thường u dạng lá là lành tính hoặc giáp biên, hiếm có tổn thương ác tính Tuy nhiên, phân biệt trước mổ với u tuyến xơ là rất quan trọng vì nếu là u dạng lá sẽ cần phải cắt rộng triệt để hơn nhằm tránh tái phát U thường gặp ở độ tuổi 45 - 50, hầu hết bệnh nhân có u ở một bên vú, kích trung bình của u là 5 cm Gần 15 - 20% u dạng lá tái phát sau phẫu thuật [13, 14]
2.2.2 Ung thư vú
Trang 239
bất cứ thay đổi hay khối u nào ở vú đều nên được kiểm tra để xác định xem nó có ảnh hưởng đến nguy cơ ung thư hay không
Ung thư vú có thể lan ra khi tế bào ung thư đi vào máu hoặc hệ bạch huyết và được vận chuyển đến các bộ phận khác của cơ thể Hệ bạch huyết là một mạng lưới các mạch bạch huyết khắp cơ thể được nối với các hạch bạch huyết Nếu các tế bào ung thư lan vào hạch bạch huyết, chúng sẽ thông qua hệ bạch huyết để đi đến các bộ phận khác của cơ thể Càng nhiều hạch bạch huyết có tế bào ung thư thì có thể có càng nhiều dấu hiệu ung thư ở các bộ phận khác
Hầu hết các triệu chứng phổ biết của ung thư vú là xuất hiện một khối u bất thường Khối u này thường không gây đau đớn, cứng và có các cạnh khơng đều, cũng có trường hợp khối u có thể mềm hoặc trịn và có thể gây đau Do đó cần phải có chuyên gia có kinh nghiệm trong chẩn đốn bệnh về ung thư vú để kiểm tra khối u Ngoài ra, một số dấu hiệu khác của ung thư vú như là sưng tất cả hoặc một phần của vú, da ở vùng vú bị rát hay xuất hiện chỗ trũng, đau vú hoặc núm vú, núm vú hoạc da vú xuất hiện vảy đỏ, núm vú chảy dịch Đôi khi ung thư vú lan đến các hạch bạch huyết dưới ghi tay hoặc quanh xương cổ gây ra khối u hoặc sưng ở đỏ
Khi một người được xác định là có khối u ác tính hay được chẩn đốn là ung thư vú, bộ phân y tế sẽ xác định giai đoạn của ung thư để đánh giá mức độ nghiêm trọng của ung thư nhằm hỗ trợ cho việc điều trị Các giai đoạn được xác định dựa trên các yếu tố: kích thước của khối u trong vú, số lượng hạt bạch huyết bị ảnh hưởng, dấu hiệu ung thư có xâm lấn các cơ quan khác của cơ thể chưa Vào đầu năm 2018, Ủy ban Ung thư Hoa Kỳ đã đưa ra hệ thống TNM Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định các giai đoạn của ung thư vú
Trong đó, TNM là viết tắt của:
T: Tumor size: kích thước của khối u
N: Lymph node status: số lượng và vị trí của các hạt bạch huyết bị ảnh hưởng bởi ung thư
Trang 2410 Ung thư vú giai đoạn T1
Giai đoạn IA: Khối u cịn nhỏ, đường kính <2cm và khối u khu trú tại vú và chưa lan đến các hạch bạch huyết
Giai đoạn IB: Bắt đầu tìm thấy khối u ở các hạch bạch huyết dưới nách Tuy nhiên, giai đoạn T1 vẫn là giai đoạn sớm và có thể điều trị hồn tồn Ung thư vú giai đoạn T2:
Giai đoạn IIA – Khối u có kích thước 2-5cm nhưng chưa lan sang hạch bạch huyết Giai đoạn này chưa xuất hiện khối u nguyên phát và chưa đến 4 hạch bạch huyết
Giai đoạn IIB – Khối u có đường kính 2-5 cm và đã lan đến các hạch bạch huyết Ung thư đã xâm lấn đến 1 – 3 hạch bạch huyết ở nách hoặc gần xương ức Ở 1 số bệnh nhân, giai đoạn này kích thước khối u lớn hơn 5 cm và chưa xâm lấn đến các hạch bạch huyết
Trang 2511
Ung thư vú giai đoạn T3: Khi bạn phát hiện bệnh ở giai đoạn 3, thì các khối u trong cơ thể đã lan rộng 4 – 9 hạch bạch huyết ở nách hoặc phù các hạch bạch huyết bên trong vú Các khối u nguyên phát lớn có thể được tìm thấy trong giai đoạn này Ung thư vú giai đoạn T4 (giai đoạn cuối)
Tại giai đoạn 4, mầm ung thư đã lan rộng và di căn đến nhiều cơ quan trong cơ thể người bệnh Thường thì bệnh sẽ lây lan đến xương, não, phổi và gan
Các tế bào ung thư cũng được phân cấp với các mức độ phát triển khác nhau:
Cấp độ 1 – Cấp thấp: Các tế bào trông bất thường và có tốc độ phát triển nhanh hơn các tế bào bình thường
Cấp độ 2 – Cấp trung bình: Các tế bào bất thường phát triển nhanh hơn cấp độ 1 Cấp độ 3 – Cấp độ cao Các tế bào phát triển nhanh hơn cấp độ 2, có khả năng di căn
tới các bộ phận khác
2.3 Các kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh ở vú
Chẩn đốn hình ảnh tuyến vú bao gồm chụp X-quang thường quy, chụp cắt lớp vi tính (CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), chụp cắt lớp vi tính và siêu âm
Hai phương pháp X-quang vú và siêu âm tuyến vú là những cơng cụ hình ảnh phổ biến nhất được sử dụng để phát hiện và mơ tả đặc tính của mơ vú, tuy nhiên độ nhạy và độ đặc hiệu của hai phương pháp này chưa cao, đặc biệt có 0,3-0,8% ung thư vú biểu hiện đơn độc di căn hạch nách ác tính mà khơng có bằng chứng X-quang, siêu âm cũng như lâm sàng của một khối u nguyên phát ở vú Do đó nhiều phụ nữ phải trải qua đánh giá thêm bằng sinh thiết dẫn đến bệnh tật về thể chất và tâm lý không cần thiết Ngoài ra, chụp X-quang tuyến vú tiếp xúc với bức xạ ion hóa và kỹ thuật này khơng thể đánh giá mạch máu, không cung cấp thông tin định lượng về chức năng và thành phần của mô
Trang 2612
Phương pháp quang học sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần có khả năng phát hiện tổn thương dựa trên các bất thường về chức năng và cũng đại diện cho một nhánh chẩn đoán mới có thể bổ sung cho phương pháp chụp nhũ ảnh truyền thống
2.3.1 Chụp X – quang tuyến vú
Chụp X- quang vú là phương tiện dùng trong sàng lọc phát hiện bệnh lý tuyến vú Chụp X-quang được khuyến cáo cho những phụ nữ từ 40 tuổi trở lên Nhưng người khỏe mạnh, khơng có yếu tố nguy cơ nên chụp X-quang vú 1 – 2 lần/ năm
Chụp X-quang ngực và chụp dưới màn huỳnh quang được sử dụng để cung cấp hình ảnh của phổi và các cấu trúc xung quanh Chụp X-quang ngực trơn cung cấp hình ảnh của các cấu trúc trong và xung quanh lồng ngực và hữu ích nhất để xác định các bất thường ở tim, nhu mô phổi, màng phổi, thành ngực, cơ hoành, trung thất Chúng thường là xét nghiệm ban đầu được thực hiện để đánh giá phổi
X-quang ngực tiêu chuẩn được lấy từ mặt sau ra phía trước (hình ảnh trước - sau) để giảm thiểu tán xạ tia X có thể làm tăng kích thước tim và từ phía bên ngực (nhìn bên) Tư thế chụp ưỡn ngực hoặc chụp nghiêng có thể giúp đánh giá các cấu trúc dạng nốt ở phổi và làm rõ những cấu trúc bất thường, mặc dù vậy, CT cho nhiều thông tin hơn chụp X - quang trong các tình huống này Chụp X- quang nghiêng có thể được sử dụng để phân biệt tràn dịch mang phổi tự do hoặc khu trú, nhưng CT hoặc siêu âm có thể cung cấp nhiều thơng tin hơn Chụp cuối thì thở ra có thể giúp phát hiện tràn khí màng phổi lượng ít
Chụp X-quang ngực với mục đích tầm sốt thường được làm nhưng ít khi được chỉ định, trừ trường hợp với bệnh nhân có phản ứng mantoux dương tính mà khơng có triệu chứng, X-quang ngực thẳng góp phần vào việc quyết định chẩn đốn và điều trị lao phổi X-quang phổi tại giường (thường tư thế trước - sau) thường không tối ưu và chỉ nên sử dụng khi bệnh nhân quá yếu, không thể di chuyển tới khoa chẩn đốn hình ảnh
Trang 2713
X-quang vú khó tiến hành trên người có vú tạo hình (đặt túi nước, bơm silicon…) Trên bệnh nhân vú tạo hình, việc phiên giải kết quả chụp sẽ khó hơn trên vú bình thường và cần một số tư thế chụp đặc biệt để bộc lộ hết nhu mô tuyến vú
X-quang vú không phải hồn hảo cho người có tuyến vú dày Tuyến vú dày tạo thành đám tăng đậm độ trên X-quang và có thể che lấp tổn thương vú vốn cũng là vùng tăng đậm độ khu trú Tuyến vú dày thường gặp ở người có thai, cho con bú hoặc một số phụ nữ trẻ.Vấn đề gặp phải khi ngực dạy là sẽ làm giảm độ nhạy của phương pháp
Khả năng đọc hình ảnh X-quang vú khác nhau tùy theo độ nhạy của thiết bị, cường độ chum bức xạn Rơ-gen cũng như mật độ của vùng ngực và khối u Ngoài ra, sự chiếu xạ X-quang là nguyên nhân phá hủy ADN của tế bào
Trong những trường hợp khó với X-quang nói trên, phương tiện bổ sung cho X-quang vú là siêu âm hoặc chụp cộng hưởng từ Tuy có một số hạn chế nói trên, chụp X-quang vú cũng là đủ để sàng lọc và theo dõi định kỳ cho phụ nữ nếu họ khơng thuộc nhóm có nguy cơ ung thư vú như yếu tố gia đình có người ung thư vú, người mang gen nguy cơ cao ung thư vú BRCA 1, BRCA 2, bị chiếu xạ liều cao vào vùng ngực từ tuổi trẻ 10 – 30 tuổi, lối sống nguy cơ (hút thuốc lá kéo dài) [16, 17]
2.3.2 Phương pháp chụp Cộng hưởng từ (MRI)
Trang 2814
đoán đa dạng trong các điều kiện y khoa, đánh giá những bộ phận, mô và cấu trúc xương về các dấu hiệu của bệnh, những bất thường hay tổn hại
Đối với người có nguy cơ cao ung thư vú, chụp cộng hưởng từ vú nên được tiến hành cùng với chụp X-quang vú hàng năm Đối với những đối tượng khác, chụp cộng hưởng từ vú không phải phương pháp sàng lọc phát hiện ung thư vú, không nhất thiết phải chụp hàng năm như X-quang vú Cộng hưởng từ được chỉ định trong trường hợp cần làm rõ hơn những bất thường thấy trên phim chụp X-quang hoặc trường hợp đã phát hiện ung thư vú cần chụp cộng hưởng từ để đo đạc chính xác kích thước khối u cũng như sự xâm lấn của ung thư vú Khả năng xác định khối u trong ngực địi hỏi rằng khối u có một sự xuất hiện khác (hay gọi là độ tương phản khác) với những mơ bình thường Với MRI độ tương phản giữa các mơ mềm trong ngực thì lớn hơn gấp 10 đến 100 lần so với X-quang Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng MRI có thể phát hiện những ung thư mà phương pháp chụp X-quang khơng tìm thấy Mặt khác, việc tiêm thuốc đối quang sẽ giúp đánh giá khối u được cấp máu nhiều hay ít Đặc điểm cấp máu của khối u cũng liên quan đến mức độ ác tính của khối u Bất lợi chính của chụp MRI cho ngực là nó rất đắt tiền, khoảng 5 lần so với X-quang [18, 19]
2.3.3 Siêu âm
Siêu âm là một kỹ thuật an toàn và không gây đau đớn được sử dụng để kiểm tra cho nhiều bộ phận cơ thể Siêu âm không dùng tia X và có thể tiến hành nhanh chóng Kỹ thuật này những sóng âm thanh tần số cao truyền vào bên trong cơ thể Tín hiệu dội lại được phản xạ tạo ra một ảnh từ bên trong cơ thể ảnh này được hiển thị trên một màn hình Ánh siêu âm hiển thị giống như “phim sống” trình bày những chức năng bên trong cơ thể, chẳng hạn như hình ảnh một quả tim đang đập Tuy nhiên siêu âm không phải một phương pháp dùng để sàng lọc phát hiện sớm ung thư vú Siêu âm được chỉ định khi cần làm rõ thêm những bất thường thấy trên phim chụp X-quang hoặc bất thường khi khám lâm sàng Một số nghiên cứu chứng minh rằng, siêu âm là một phương pháp bổ trợ cho X-quang trong sàng lọc phát hiện ung thư vú đối với trường hợp tuyến vú dày Tuy nhiên siêu âm vẫn không thể thay thế được X-quang vú khi kiểm tra sức khỏe
Trang 2915
thể khẳng định được nang hay khối đặc Trong trường hợp này, siêu âm giúp khẳng định nang tuyến vú để tránh phải chứng minh bằng chọc hút nang bằng kim vốn là một phương pháp xâm lấn và phức tạp hơn nhiều [20]
2.4 Kỹ thuật hình ảnh thấu quang hồng ngoại gần (NIR - Transillumination)
Kỹ thuật chụp ảnh thấu quang hay còn gọi là kỹ thuật chụp ảnh truyền qua là một kỹ thuật chụp ảnh mới sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại (NIR) để đánh giá tính chất quang học của mơ và được kỳ vọng sẽ đóng một vai trị quan trọng trong việc phát hiện ung thư vú Kỹ thuật này bắt nguồn từ kỹ thuật chiếu sáng xuyên qua mơ vú, theo đó bề mặt của vú được chiếu một nguồn điểm ánh sáng “trắng” phổ rộng và ánh sáng truyền qua vú được hiển thị Năm 1929, Cutler đã báo cáo nghiên cứu lâm sàng đầu tiên về chiếu sáng truyền qua vú trong một loạt 174 tổn thương và mô tả các phát hiện đặc trưng ở 8 thực thể bệnh lý và biểu hiện lâm sàng khác nhau [21]
Một trong những ứng dụng có khả năng hữu ích nhất là chụp ảnh vú Phương pháp chụp ảnh thấu quang sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần để tạo ra hình ảnh và giải quyết thông tin quang phổ về thành phần của các mô Khi phương pháp chụp ảnh thấu quang được áp dụng để nghiên cứu các mô vú, nó thường được gọi là Chụp quang học tuyến vú (Optical Mammography) Không giống như phương pháp chụp X-quang thông thường, chụp quang tuyến vú là một kỹ thuật khơng xâm lấn, khơng ion hóa, chi phí thấp, địi hỏi ít hoặc khơng cần phải ép ngực Ngồi ra, nó có khả năng mơ tả các đặc tính sinh lý của mô như nồng độ huyết sắc tố (HbT), độ bão hòa oxy trong máu (SpO2) và hàm lượng nước và lipid, do đó giúp phát hiện tổn thương không chỉ dựa trên những thay đổi về cấu trúc mà còn dựa trên những bất thường về chức năng Chụp quang tuyến vú đại diện cho một nhánh chẩn đốn hồn tồn mới
Trang 3016
vừa được hấp thụ vừa bị tán xạ Số lượng các sự kiện hấp thụ trên một đơn vị chiều dài được gọi là hệ số hấp thụ (µa) Các phần tử hấp thụ ánh sáng (quang thụ thể - chromophore) chiếm ưu thế trong mô sinh học là oxyhaemoglobin (HbO2) và deoxyhaemoglobin (HHb) Thực tế là các nhóm mang màu này có phổ hấp thụ khác nhau ở các bước sóng NIR cho phép phân giải nồng độ HbT và SpO2 bằng quang phổ
Số lượng các sự kiện tán xạ trên một đơn vị chiều dài của mơ được gọi là hệ số tán xạ (µs), mặc dù các mô thường được đặc trưng hơn theo hệ số tán xạ suy giảm (µs’), là hệ số tán xạ hiệu dụng trên một đơn vị chiều dài Hầu hết các mơ sinh học đều có độ tán xạ rất cao Các photon đi theo những đường dài và không đều, sao cho “độ dài đường đi” quang học thường gấp nhiều lần khoảng cách giữa nguồn và máy dị Vì vậy các mơ hình tốn học về sự vận chuyển ánh sáng trong mô được yêu cầu để xác định các đặc tính của mơ hoặc lấy thông tin về sự phân bố không gian của chúng
Trang 3117
Hình 2.4 Mơ hình kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp khuếch tán (DOT) [22]
Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy phụ nữ có mật độ tia vơ tuyến (radiographic) vào mơ vú càng nhiều thì có nguy cơ phát triển thành ung thư vú càng cao Kỹ thuật chụp ảnh truyền qua có thể cung cấp một giải pháp thay thế khơng ion hóa, hiệu quả về chi phí, khả thi để sàng lọc những bệnh nhân như vậy do những hạn chế của chụp X-quang tuyến vú trong việc đánh giá bệnh nhân trẻ tuổi có bộ ngực dày Chụp ảnh quang học có thể phân biệt mật độ tia vơ tuyến dựa trên nồng độ HbT và hàm lượng nước Phụ nữ có mật độ vú trên phim X-quang cao hơn chứa tỷ lệ nước và huyết sắc tố cao hơn Có thể các thành phần được phân giải bằng phương pháp quang phổ có thể dự đốn mật độ X-quang và do đó xác định bệnh nhân nào có nguy cơ gia tăng, cho phép theo dõi phân tầng Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu sâu hơn liên quan đến cỡ mẫu lớn hơn trước khi các phương thức hình ảnh quang học có thể được sử dụng một cách đáng tin cậy trong khả năng dự đoán
2.5 Quang học mô và lan truyền ánh sáng trong mô sinh học
Trang 3218
Hình 2.5 Hình ảnh thể hiện các sự tương tác giữa ánh sáng với mô sinh học [23] Khi photon truyền tới mô tại mặt phân cách giữa mô với mơi trường một góc tới bất kì thì ln có xảy ra phản xạ một phần tại bề mặt và một phần truyền mặt phân cách lan truyền sâu vào trong mơ Photon cịn lại tiếp tục đi vào mơ sẽ xảy ra quá trình hấp thụ, tán xạ và cuối cùng có thể truyền qua mơ Q trình tán xạ trong mơ có nhiệm vụ thay đổi hướng truyền của photon giúp mở rộng sự tác động đối với mơ Ngồi ra, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong mô cũng là một trong những thành phần quan trọng để thay đổi sự phân bố năng lượng quang học trong mô
2.5.1 Sự phản xạ và khúc xạ
Phản xạ và khúc xạ ánh sáng là hiện tượng xảy ra khi truyền ánh sáng trong môi trường có chiết suất n gặp một mơi trường có chiết suất n′′ Các mơ sinh học đều có chiết suất, do đó phản xạ và khúc xạ ánh sáng xảy ra ở ranh giới của hai mô khác nhau Mô sinh học bao gồm nhiều loại khác nhau, nên có các đặc điểm khác với thủy tinh hoặc tinh thể, tuy nhiên ranh giới giữa hai lớp thì khơng rõ ràng; Chỉ số khúc xạ được thể hiện trên một thể tích mơ nhất định, do đó, phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong mô sinh học là hiện tượng của nhiều phản xạ và khúc xạ liên quan đến nhiều ranh giới cục bộ và chiết suất Những thay đổi về hướng và biên độ truyền ánh sáng có thể được tính tốn bằng cách sử dụng lý thuyết về phản xạ và khúc xạ
Trang 3319
Hình 2.6 Sự lan truyền ánh sáng vào hai mơ có chiết suất n và n’’ [24] Ánh sáng khúc xạ truyền trong vật liệu với một chiết suất khác, do đó:
n sin θ = n′′ sin θ′′ (2.1)
Sự lan truyền ánh sáng trong mô được xác định bởi sự tương tác của nó với các thành phần trong mơ Ánh sáng sẽ bị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai vật liệu mơ khác nhau Ngồi ra, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong mô cũng là một trong những thành phần quan trọng để thay đổi sự phân bố năng lượng quang học trong mô
2.5.2 Sự hấp thụ
Sự hấp thụ ánh sáng của một vật liệu có thể được hiểu như chuyển động dao động tắt dần của một vật thể Vật giảm chấn làm giảm tốc độ chuyển động bằng cách chuyển động năng của chuyển động thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng sinh ra do ma sát Trong ánh sáng, dao động điện từ lan truyền với sự tắt dần, nó truyền năng lượng điện từ cho các nguyên tử hoặc phân tử trong môi trường truyền Năng lượng điện từ được truyền có thể: tạo ra nhiệt trong môi trường bằng cách tăng năng lượng dao động hoặc năng lượng quay của các nguyên tử hoặc phân tử của nó, phát xạ lại từ mơi trường dưới dạng huỳnh quang hoặc lân quang hoặc gây ra phản ứng hóa học như truyền năng lượng phân tử, biến tính, ion hóa, Có những loại lượng tử khác có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng, chẳng hạn như phonon và exciton Sự truyền ánh sáng theo hướng z điện trường có thể được biểu thị bằng:
E= E0 e-μza ei(kz-ωt) (2.2)
Trang 3420
Theo định luật Lambert - Beer chiều dài hấp thụ La được xác định là độ dài mà sau đó cường độ ánh sáng trở thành 1/e cường độ ban đầu:
𝐿a=1/ 𝜇a (2.3)
2.5.3 Sự tán xạ
Sự tán xạ ánh sáng trong vật chất là một quá trình rất phức tạp, tuy nhiên, hệ số tán xạ (𝜇𝑠) và yếu tố dị hướng (g) có thể được tính tồn bằng ánh sáng tán xạ trong mô Sự tán xạ được gọi là đàn hồi khi q trình này khơng làm mất năng lượng photon và tổng cường độ ánh sáng tới và cường độ ánh sáng tán xạ bằng nhau Sự tán xạ không đàn hồi khi quá trình này liên quan đến sự mất năng lượng của photon Sự tán xạ đàn hồi hoặc khơng đàn hồi có liên quan đến tần số của các phân tử của môi trường nơi photon lan truyền Sự tán xạ trong mơ là do các hạt có hai kích thước đặc biệt: các hạt nhỏ hơn bước sóng ánh sáng gây ra tán xạ Rayleigh, các hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng gây ra tán xạ Mie Hệ số tán xạ là đặc điểm của vật liệu làm giảm cường độ tới 1/e sau khi ánh sáng truyền đi chiều dài tán xạ (Ls)
𝐿s=1/𝜇s (2.4)
Góc tán xạ (θ) là một góc so với phương truyền ánh sáng Tán xạ Mie chủ yếu là tán xạ về phía trước (∼0) và khơng phụ thuộc nhiều bước sóng Hệ số dị hướng (g) là cosin trung bình của góc tán xạ và có giá trị từ - 1 (tán xạ ngược) đến 1 (tán xạ thuận), nếu g = 0 thì tán xạ tại mọi hướng là như nhau Đối với hầu hết các mô sinh học thì g ∼ 0,9 vậy nên tán xạ Mie cũng chiếm ưu thế hơn tán xạ Rayleigh Hệ số dị hướng có liên quan đến phân phối xác suất (P) dưới dạng một hàm của góc tán xạ được biểu thị bằng hàm pha Henyey-Greenstein:
p(cosθ) = (1−g
2)2(1+g2−2gcosθ)3/2
(2.1)
Hệ số tán xạ suy giảm (𝜇𝑠′) do tính dị hướng được tính như sau:
Trang 3521
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Phương trình vận chuyển bức xạ (RTE)
Phương trình vận chuyển bức xạ (Radiative Transport Equation – RTE) bao gồm: sự thay đổi của cường độ bức xạ, hấp thụ, phát xạ, tán xạ Tốc độ biến thiên cường độ bức xạ trong mơ hình phụ thuộc vào vị trí, càng ra xa thì cường độ bức xạ càng giảm Số hạng thứ nhất phía bên phải cơng thức (3.1) mơ tả tốc độ biến thiên cường độ bức xạ trong không gian Mơi trường có xu hướng làm bức xạ sau khi truyền qua bị phân tán thành các hướng khác nhau Số hạng cịn lại mơ tả mức tăng cường độ do hiệu ứng tán xạ, hiệu ứng tán xạ suất hiện mọi hướng (trên tồn bộ góc, 0 - 4π) Nếu chuyển số hạng thứ 2 bên trái công thức qua bên phải thì số hạng này mơ tả sự mất cường độ do hiệu ứng hấp thụ và tán xạ ngoài Suy giảm cường độ là kết quả của năng lượng hấp thụ dọc theo đường di chuyển và năng lượng chuyển thất thoát từ hiệu ứng tán xạ
Trang 3622
MC là một phương pháp tính tốn liên quan đến việc lấy mẫu ngẫu nhiên các đại lượng vật lý, tức là nó cho phép mô phỏng một hiện tượng vật lý theo xác suất ngẫu nhiên (ở đây, các photon truyền vào môi trường) Về cơ bản, mô phỏng MC mô phỏng sự lan truyền của các photon trong môi trường đục, trong đó một số lượng lớn photon được truyền qua mơi trường đang được nghiên cứu Photon có thể bị phản xạ (phản xạ lại bề mặt hoặc phản xạ khuếch tán), bị khúc xạ bởi sự thay đổi chiết suất của các lớp, đồng thời bị hấp thụ và tán xạ Các tính chất quang học của mơi trường như chiết suất (n), hệ số hấp thụ (μa), hệ số tán xạ (μs) và hệ số tán xạ dị hướng (g) quyết định đường đi của photon trong môi trường Trong đó, hệ số hấp thụ (μa) do thành phần hóa học bên trong mơ gây ra và hệ số tán xạ (μs) do sự thay đổi chiết suất ở kính hiển vi hoặc do va chạm giữa photon với các hạt trong mơi trường [26]
Phương trình vận chuyển bức xạ (RTE) về cơ bản cho tổng năng lượng chứa trong một phần tử thể tích của tán xạ mơi trường khi ánh sáng truyền qua nó rất phức tạp và phụ thuộc vào một số các biến, một phiên bản RTE đơn giản hơn nhiều được gọi là phương trình khuếch tán (DE) được sử dụng cho phân tích sự truyền ánh sáng qua các mơ Nhưng giải phương trình khuếch tán một cách giải tích rất phức tạp và mất thời gian Nghiên cứu theo hướng này đã sử dụng Monte Carlo mô phỏng để xác định sự lan truyền Phương trình khuếch tán chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu truyền ánh sáng trong các mơ sinh học Hình 3.1 cho thấy sơ đồ tương tác của ánh sáng bên trong một thể tích mơ với các chế độ khác nhau của nó lan truyền trong mơ Tính chất quang học như hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ là những yếu tố chính góp phần tạo nên sự thay đổi trong cường độ phản xạ hoặc truyền đạt được tại máy dò P1 xấp xỉ vận chuyển bức xạ phương trình thường được gọi là sự khuếch tán phương trình (DE) và được cho bởi:
∂u(r⃗,t)
v ∂t + 𝜇𝑎u(r⃗,t) - c∇2 u(r⃗,t) = I(r⃗,t) (3.2)
Trang 3723
C= 1
3(μa+μs′)
(3.3) Trong đó, μa là hệ số hấp thụ và μsꞌ là hệ số tán xạ suy giảm
Hình 3.1 Tương tác của ánh sáng bên trong mô với các chế độ khác nhau
3.2 Mơ hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mơ sinh học bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Trang 3824
3.2.1 Tạo các biến số ngẫu nhiên
Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là phương pháp gắn liền với các biến ngẫu nhiên được tạo ra theo phân bố xác suất xác định Xét biến số ngẫu nhiên χ là một biến cần thiết trong mô phỏng Monte Carlo về sự lan truyền photon qua các lớp mơ Nó có thể là biến kích thước bước đi s của photon sẽ thực hiện giữa các vị trí tương tác giữa mơ và photon, hoặc là biến góc tán xạ θ của photon bị lệch so với phương ban đầu có thể gặp phải trong q trình tán xạ Có một hàm mật độ xác suất xác định phân phối của χ trong khoảng (a,b) Hàm mật độ xác suất được chuẩn hóa sao cho:
∫ p(χ)dχ = 1
b
a
(3.4)
Để thực hiện mô phỏng sự lan truyền, ta cần chọn giá trị cho biến χ nhiều lần và ngẫu nhiên dựa trên bộ tạo số giả ngẫu nhiên của máy tính Máy tính cung cấp một biến ngẫu nhiên, 𝜉 được phân phối đồng đều trong khoảng (0, 1) Hàm phân phối tích lũy của biến ngẫu nhiên này là: Fξ(ξ) = {0 if ξ ≤ 0 ξ if 0 < ξ ≤ 11 if ξ > 1} (3.5)
Để lấy mẫu hàm p(χ) có phân bố không đồng đều, giả sử tồn tại một hàm không giảm χ=f(ξ) với ξ∈(0,1) Khi biến χ và biến ξ là đơn ánh dẫn đến sự bình đẳng về xác suất:
P{f(0) < χ < f(ξ1)} = P{0 < ξ ≤ ξ1}
(3.6)
Hoặc
P{a < χ ≤ χ1} = P{0 < ξ ≤ ξ1} (3.7) Theo định nghĩa của hàm phân phối tích lũy, có thể được thay đổi thành một phương trình của hàm phân phối tích lũy:
Trang 3925 ∫ p(χ)dχχ1a= ξ1 for ξ1 ∈ (0,1) (3.9) Hay ξ = ∫ p(χ)dχχa(3.10)
Phương trình trên là phương trình cơ bản cho phép tạo biến số ngẫu nhiên χ với hàm mật độ xác xuất p(χ) dựa vào sử dụng biến ngẫu nhiên ξ có mật độ xác suất p(ξ)=1 trong khoảng (0, 1) do máy tính tạo ra Chương trình mơ phỏng Monte Carlo sẽ áp dụng phương trình (3.4) để chọn bước đi ngẫu nhiên s, góc lệch θ
Hình 3.2 Q trình tìm được biến số ngẫu nhiên 𝜒
Trang 4026
3.2.2 Quy tắc lan truyền photon
Hình 3.3 Biểu đồ thuật tốn tiêu chuẩn của mơ hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mơ sinh học dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo
3.2.2.1 Chiếu chùm photon