Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Khảo sát sự lan truyền ánh sáng hồng ngoại trong mô vú

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023

Công trình được hoàn 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

TS Lý Anh Tú PGS TS Trương Tích Thiện

ĐẠI 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 mô hình vú mô phỏng 3D

- Mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô 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 – Phòng Thí nghiệm Công nghệ Laser - Khoa Khoa học Ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM

Tp HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

PGS TS Trương Tích Thiện

i

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 tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn này

Tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành đề tài

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023

Học viên

Ngô Thị Thu An

Nghiên cứu này điều tra mô hình tái tạo vú ba chiều (3D) từ bộ dữ liệu hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) DICOM để phát triển các ứng dụng chẩn đoán dựa trên quang học Mô hình 3D được phân đoạn và tái tạo bằng phần mềm The Mimicss Innovation Suite Sau đó, sự lan truyền ánh sáng của mô hình vú 3D được mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng có tên là Môi trường mô phỏng quang học phân tử (MOSE) bằng phương pháp Monte Carlo Ngoài ra, mô hình mô phỏng còn được thực hiên trên phần mềm COMSOL Multiphysics 3D là một phần mềm được thiết kế để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống vật lý phức tạp trong không gian ba chiều sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để giải số các phương trình vi phân từng phần chi phối hoạt động của các hệ vật lý Mô hình được nghiên cứu với các kịch bản khác nhau về nguồn sáng và máy dò Từ đó, đánh giá cường độ hấp thụ, bức xạ, tán xạ và truyền qua của gói photon cho thấy tính khả thi để phát triển hệ thống hình ảnh quang học vú Một vật thể bất thường được thêm vào mô hình 3D chứng tỏ tính khả thi của việc thu được hình ảnh vật thể bất thường Kết quả đã xác thực và khẳng định tính khả thi của việc phát hiện mô bất thường trong hình ảnh vú bằng mô phỏng

iv

system, the light propagation simulations are conducted by modeling the light propagated in a 3D model with different light sources and detectors scenarios The result validated and confirmed the feasibility of detecting abnormal tissue in breast images by simulation

v

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công 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 công bố trong bất kỳ công 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

Ngô Thị Thu An

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

vii

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 Mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô 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

3.3 Phương trình phần tử hữu hạn (FEM) 33

3.4 Chương trình mô 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 mô hình mô phỏng 38

4.1.1 Mô hình mô phỏng ở phần mềm MOSE 39

4.1.2 Mô hình mô phỏng với COMSOL 41

4.2 Kết quả mô phỏng với chương trình MOSE 43

4.2.1 Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô vú 43

viii

4.2.1.1 Trong mô vú bình thường 43

4.2.1.2 Trong mô 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 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

ix

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 Mô 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 mô sinh học [23] 18

Hình 2.6 Sự lan truyền ánh sáng vào hai mô 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 toán tiêu chuẩn của mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo 26

Hình 4.1 Quy trình tái tạo mô hình vú 3 chiều 38

Hình 4.2 Kết quả xây dựng mô hình vú 39

Hình 4.3 Mô hình vú bình thường 40

Hình 4.4 Mô hình vú có khối u (hình elip màu vàng) 40

Hình 4.5 Mô hình mô phỏng trong MOSE với vị trị chiếu và mặt phẳng detector 41

Hình 4.6 Mô hình vú được xây dựng bằng ảnh MRI trong phần mềm COMSOL 41

Hình 4.7 Mô hình vú được xây dựng bằng ảnh MRI và được tiến hành chia lưới trong COMSOL 42

Hình 4.8 Mô hình vú có tồn tại khối u nằm bên vú bên phải được xây dựng bên trong COMSOL 42

Hình 4.9 Thiết lặp mô hình mô phòng trong COMSOL ở hai kịch bản 43

Hình 4.10 Mật độ photon của mô 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 mô 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 mô vú: (a) Mô bình thường và 46

Hình 4.13 Phân bố bức xạ chuẩn hóa ở mô hình vú bình thường 47

Hình 4.14 Phân bố bức xạ chuẩn hóa ở mô hình vú có khối u 47

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Các thông số quang học của mô hình vú [35, 36] 38

xi

DANH MỤC VIẾT TẮT

WHO World Health Organizition Tổ chức Y tế Thế giới GLOBOCAN Global Cancer Observatory Tổ chức Ung thư Toàn cầu

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

Chụp cắt lớp phát xạ đơn photon

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]

Trong các vấn đề liên quan đến sự phát hiện sớm ung thư vú, yếu tố kĩ thuật chiếm vai trò quan trọng hơn cả Ngày nay, với sự phát triển và tiến bộ của khoa công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế, nhiều phương pháp chẩn đoán ung thư vú ở giai đoạn sớm được áp dụng, điển hình nhất là phương pháp chụp nhũ ảnh (mamography) Kỹ thuật chụp nhũ ảnh được xem như là “tiêu chuẩn vàng” trong việc chẩn đoán sớm ung thư vú khi có khả năng phát hiện sự bất thường ở mô vú ở các giai đoạn đầu tiên Tuy nhiên, phương pháp này lại có một hạn chế là bởi sử dụng tia X để chẩn đoán do đó khiến người bệnh phải chịu tổn thương bởi phóng xạ khi chẩn đoán Ngược lại với kỹ thuật chụp nhũ ảnh, siêu âm lại hoàn toàn có thể được dùng để chẩn đoán mà không gây ra các vấn đề ảnh hưởng đến sức khỏe, nhưng kèm với đó hạn chế của kỹ thuật là khó có thể chẩn đoán chính xác bởi kết quả chẩn đoán phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của kỹ thuật viên và bác sĩ Ngoài ra, bởi đặc tính âm học của các mô bình thường và mô ở các khối u ác tính tương tự nhau nên cũng gây ra khó khăn trong việc chẩn đoán ung thư vú bằng kỹ thuật siêu âm Ngoài hai kỹ thuật chụp nhũ ảnh và siêu âm, nhiều kỹ thuật khác nhau được ứng dụng trong việc chẩn đoán ung thư vú chẳng hạn như chụp cộng hưởng từ (MRI), chụp cắt lớp positron (PET), Tuy nhiên,

Trong những năm gần đây, việc sử dụng hình ảnh hồng ngoại trong việc chẩn đoán 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 không 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 soát 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 mô hình vú được xây dựng bằng bộ ảnh MRI ở kịch bản mô hình vú bình thường và mô hình vú có tồn tại khối u để đánh giá sự tương tác của ánh sáng đến các mô 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

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:

cấu tạo và các loại bệnh liên quan, các kỹ thuật dùng trong chẩn đoán ung thư vú;

3

 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 mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học;

 Mục tiêu thứ ba: Xây dựng mô hình mô 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 mô phỏng

 Nhiệm vụ thứ ba: Tiến hành mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mô 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

đến hướng phát triển tiếp theo của đề tài

4

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 mô 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 ngoài 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 ngoài xương đòn, 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 Ngoài ra còn có các tuyến bã và tuyến bán hủy nhưng không có các nang lông

Quầng vú có hình tròn, màu sẫm, cũng giống như núm vú, kích thước có thể thay đổi, trung bình đường kính từ 1,5-2,5 cm Các củ Morgagni nằm ở quanh quầng vú, được nhô cao lên do miệng các ống tuyến Montgomery (hạt Montgomery) Các tuyến Montgomery là những tuyến bã lớn, nó là dạng trung gian giữa tuyến mồ hôi và tuyến sữa

5

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 mô Bao bọc bên ngoài bởi màng đáy Sau khi mãn kinh, tuyến vú thoái triển, trong mô liên kết dưới da chỉ còn sót lại ít đám ống bài xuất nằm rải rác [10] Cấu trúc vú gồm 3 thành phần: da, mô dưới da và mô vú, trong đó mô 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 mô liên kết trong tiểu thùy và nối liền với mô xung quanh các ống dẫn Trong thời kì không mang thai và không 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

ngoài:

6

 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 nuôi dưỡng mặt ngoài vú, phần ngoài cơ ngực và nhánh tiếp nối với động mạch vú trong

 Động mạch vú trong: tách từ động mạch dưới đòn, nuôi dưỡng phần còn 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

Vú ở nam và nữ đều phát triển từ một mô phôi Ở tuổi dậy thì, Estrogen kết hợp với Hormone tăng trưởng gây ra sự phát triển ở vú của người nữ khác biệt hoàn toàn so với người nam Đối với một người phụ nữ trưởng thành, tuyến vú thay đổi theo rõ rệt theo chu kỳ kinh nguyệt, trong thời gian mang thai và trong thời kì mãn kinh Trong giai đoạn bắt đầu mang thai, vú trở nên to hơn với sự gia tăng cả về khối lượng và độ dày, các tĩnh mạch giãn ra và phức hợp núm vú – quầng vú trở nên sẫm màu hơn Điều này do ảnh hưởng của Estrogen, progesterone, hormone tăng trưởng, prolactin và hormone nhau thai Vú của người mẹ sẽ to ra, vú đau và mềm là một trong các dấu hiệu đầu tiên của thai kì Thậm chí trước khi phôi thai được cấy vào tử cung, một tín hiệu hóa học được tạo ra bởi phôi làm buồng trứng tăng sản xuất estrogen và progesterone để duy trì thai kỳ Trong kỳ ba tháng đầu tiên, các yếu tố chất nền được thay thế bởi mô tuyến tăng sinh Trong kỳ ba tháng thứ ba, các biểu mô được biệt hóa dẫn đến sự phát triển các tế bào có khả năng tổng hợp và tiết ra sữa Sau khi sinh con, nồng độ estrogen và progesterone giảm Prolactin, insulin và hormone tăng trưởng tạo ra quá trình sản xuất và tiết sữa cho con bú Trong thời kì mãn kinh, vú bị thoái hóa, các tuyến và ống dẫn chứa chủ yếu là chất béo và chất nền stoma, bên cạnh đó số lượng ống dẫn và tiểu thùy cũng giảm do sự lão hóa Theo thời gian, các

U xơ tuyến là u lành tính thường gặp nhất của tuyến vú thanh niên và phụ nữ trẻ, đặc biệt là giữa tuổi 20 và 35, hiếm gặp trước tuổi dậy thì và mãn kinh U phát triển tăng lên ở giai đoạn mang thai và tiết sữa (cho con bú) Khám lâm sàng: u thường nhỏ, chắc, giới hạn rõ,

8

kích thước thường 2 - 3cm, di động, không đau và đơn dạng, ít khi gặp 2 hay nhiều u 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 không 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

(7-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 mô 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

Ung thư vú là loại ung thư phổ biến nhất ở phụ nữ Ung thư vú xảy ra khi tế bào ở vú bắt đầu phát triển quá mức kiểm soát Các tế bào này thường tạo thành một khối u có thể nhìn thấy trên hình ảnh X quang Khối u ác tính (ung thư) khi các tế bào phát triển và xâm lấn đến các mô xung quanh hoặc di căn đến các cơ quan khác của cơ thể Ung thư vú gần như chỉ xảy ra ở phụ nữ, nhưng cũng có trường hợp ngoại lệ đàn ông cũng có thể bị ung thư vú Ung thư vú có thể xảy ra ở các phần khác nhau của vú Nhưng hầu hết ung thư vú xảy ra ở ống dẫn sữa đến núm vú Một số khác xảy ra ở các tuyến tạo sữa Ngoài ra còn các trường hợp khác nhưng ít phổ biến hơn [15] Ung thư vú thường tạo ra khối u ở vú hiện có nhiều loại ung thư vú có thể được phát hiện bằng phương pháp chụp nhũ ảnh ở giai đoạn sớm, lúc khối u chưa hình thành rõ Không như những khối u ác tính, các khối u lành tính chỉ là sự tăng trưởng bất thường của vú, chúng không lan ra bên ngoài vú và không đe dọa đến tính mạng Nhưng các khối u lành tính có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư vú nên

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 không đều, cũng có trường hợp khối u có thể mềm hoặc tròn và có thể gây đau Do đó cần phải có chuyên gia có kinh nghiệm trong chẩn đoán 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 đoán 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

 M: Metastases: ung thư đã xâm lấn các cơ quan khác của cơ thể hay chưa Dựa vào các yếu tố đó, ung thu vú được chia thành các giai đoạn từ 0 đến IIB

10  Ung thư vú giai đoạn T1

 Giai đoạn IA: Khối u còn 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 hoàn toàn  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

Hình 2.3 Các giai đoạn của ung thư vú bao gồm: T1, T2, T3, T4

11

 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

Cộng hưởng từ (MRI) có độ phân giải tổ chức cao, đánh giá đa bình diện, đồng thời đánh giá động học cấp mạch máu vùng tổn thương vì vậy nó cho phép phát hiện các tổn thương nhỏ, kín đáo MRI đặc biệt ưu thế trong việc đánh giá các tổn thương đa ổ, tổn thương đối bên, đánh giá mức độ xâm lấn của tổn thương Ở Việt Nam việc áp dụng MRI trong chẩn đoán ung thư tuyến vú còn chưa được rộng rãi

12

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, không 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 thông 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 soát thường được làm nhưng ít khi được chỉ định, trừ trường hợp với bệnh nhân có phản ứng mantoux dương tính mà không có triệu chứng, X-quang ngực thẳng góp phần vào việc quyết định chẩn đoán 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 đoán hình ảnh

Chụp X-quang vú không khẳng định được vùng bất thường trên phim X-quang là ung thư hay không, có thể nói X-quang vú có độ đặc trưng thấp Để khẳng định ung thư vú từ vùng nghi ngờ trên phim chụp X-quang vú cần phải làm sinh thiết

13

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 hoàn 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 không 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)

Magnetic Resonance Imaging (MRI) là một quá trình chẩn đoán hình ảnh an toàn và không gây đau đớn Phương pháp được thực hiện bằng cách chích một chất liệu giống như thuốc nhuộm vào máu bệnh nhân và việc dùng ảnh MRI trên màn hình sao cho ở đó chất liệu được hiện lên và sẽ bị che khuất bởi mô ác tính Nó chụp được những bức ảnh chi tiết về cấu tạo cơ thể con người, gồm cả những bộ phận bên trong, hệ thống thần kinh, xương và những mô mềm Không giống như X-quang hay CT, MRI xem xét xuyên qua xương để tạo ra những ảnh của các mô mềm trong bất kỳ mặt phẳng nào của một bộ phận cơ thể Ảnh MRI dùng sóng radio và từ trường để chẩn đoán bệnh Sử dụng một từ trường mạnh, sóng radio và một máy tính tinh vi, máy quét MRI tập hợp những tín hiệu yếu phát ra từ những nguyên tử hydrogen trong cơ thể con người để tạo ra một ảnh chi tiết MRI đưa ra những hình ảnh cắt ngang của cơ thể, sau đó chúng được đưa tới máy tính Máy tính kết hợp những hình ảnh này và tạo ra hình ảnh từ bất kỳ góc nào MRI được dùng để chẩn

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

Siêu âm rất có giá trị để xác định nang vú vốn rất thường gặp ở phụ nữ Nang tuyến vú dễ dàng thấy trên phim chụp X-quang cũng như sờ thấy nhưng các phương pháp này không

15

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 mô và được kỳ vọng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện ung thư vú Kỹ thuật này bắt nguồn từ kỹ thuật chiếu sáng xuyên qua mô 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 không xâm lấn, không ion hóa, chi phí thấp, đòi hỏi ít hoặc không cần phải ép ngực Ngoài ra, nó có khả năng mô 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 đoán hoàn toàn mới

Hầu hết các kỹ thuật chụp quang học tuyến vú dựa trên một khái niệm tương đối đơn giản Ánh sáng NIR trong phạm vi bước sóng 600-1000 nm được sử dụng để xuyên qua mô, nơi mà ánh sáng được hấp thụ và tán xạ bởi các thành phần mô Sau khi đi qua vú, ánh sáng còn lại được ghi lại bởi máy dò và các thuật toán máy tính tiên tiến được sử dụng để tái tạo lại hình ảnh Việc xác định các đặc tính của mô và sự phân bố không gian của chúng rất phức tạp do các đường ánh sáng đi qua vú không đều và dài Trong bầu ngực, ánh sáng

16

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 mô 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 mô 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 dò Vì vậy các mô hình toán học về sự vận chuyển ánh sáng trong mô được yêu cầu để xác định các đặc tính của mô hoặc lấy thông tin về sự phân bố không gian của chúng

Các kỹ thuật chụp ảnh thấu quang này sử dụng các phép đo ánh sáng truyền qua để tạo ra các hình ảnh được phân giải theo không gian Hình ảnh về đặc tính hấp thụ hoặc tán xạ của mô hoặc các thông số sinh lý khác như HbT và SO2 có thể được tạo ra Nhìn chung, có hai phương pháp hình ảnh khác nhau đã được áp dụng: kỹ thuật chụp ảnh truyền qua, trong đó các nguồn và máy dò được bố trí ở các phía đối diện của vú như mô tả trong Hình 2.4 và Kỹ thuật chụp ảnh khuếch tán cắt lớp (Diffuse Optical Tomographic), trong đó các nguồn và máy dò được đặt trên bề mặt có sẵn cho phép lấy mẫu càng nhiều càng tốt trong toàn bộ thể tích Kỹ thuật chụp ảnh truyền qua mang lại hình ảnh chiếu hai chiều (có thể so sánh với chụp X-quang tuyến vú) và thường yêu cầu nén ngực Quá trình nén có thể được thực hiện giữa các mảng nguồn và bộ phát hiện hoặc giữa các tấm trong suốt mà một hoặc nhiều cặp bộ phát hiện nguồn được quét ở mỗi bên Các phương pháp chụp cắt lớp mang lại bản đồ ba chiều về các đặc tính quang học bên trong vú [22]

17

Hình 2.4 Mô 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 vô tuyến (radiographic) vào mô 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 không 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 vô 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 đoán 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

Khi ánh sáng chiếu tới mô sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm và thông số thiết bị tạo ánh sáng (chủ yếu bước sóng, công suất, diện tích vết, khoảng cách từ đầu phát đến bề mặt mô) cũng như các thông số quang học mô mà xảy ra sự lan truyền ánh sáng khác nhau Các thông số quang học mô bao gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ, hệ số dị hướng, hệ số khúc xạ

18

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 môi trường một góc tới bất kì thì luôn có xảy ra phản xạ một phần tại bề mặt và một phần truyền mặt phân cách lan truyền sâu vào trong mô Photon còn lại tiếp tục đi vào mô sẽ xảy ra quá trình hấp thụ, tán xạ và cuối cùng có thể truyền qua mô Quá trình tán xạ trong mô có nhiệm vụ thay đổi hướng truyền của photon giúp mở rộng sự tác động đối với mô Ngoài 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 môi trường có chiết suất n′′ Các mô 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 không rõ ràng; Chỉ số khúc xạ được thể hiện trên một thể tích mô 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 toán bằng cách sử dụng lý thuyết về phản xạ và khúc xạ

Hình 2.6 minh họa các thông số cơ bản khi ánh sáng truyền từ mô chiết suất n thành mô có chiết suất n′, trong đó mặt phẳng biên là mặt phẳng XY trong hệ tọa độ Descartes Hướng của ánh sáng tới, ánh sáng phản xạ và khúc xạ được xác định bởi vectơ sóng k , k′, và k′′ tương ứng Góc giữa ba vectơ sóng và trục Z là θ, θ′, và θ′′, tương ứng

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 môi 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:

Trong đó: 𝜇𝑎 là hệ số hấp thụ phụ thuộc nhiều vào bước sóng ánh sáng

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 không 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

(2.1)

Hệ số tán xạ suy giảm (𝜇𝑠′) do tính dị hướng được tính như sau:

𝜇𝑠′=(1−𝑔)𝜇𝑠 (2.6)

21

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 mô hình phụ thuộc vào vị trí, càng ra xa thì cường độ bức xạ càng giảm Số hạng thứ nhất phía bên phải công thức (3.1) mô tả tốc độ biến thiên cường độ bức xạ trong không gian Môi trường có xu hướng làm bức xạ sau khi truyền qua bị phân tán thành các hướng khác nhau Số hạng còn lại mô tả mức tăng cường độ do hiệu ứng tán xạ, hiệu ứng tán xạ suất hiện mọi hướng (trên toàn bộ góc, 0 - 4π) Nếu chuyển số hạng thứ 2 bên trái công thức qua bên phải thì số hạng này mô 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

(3.1) Phương trình RTE mô hình hóa ánh sáng lan truyền trong các mô dưới dạng các gói photon có quỹ đạo khác nhau trong môi trường, bỏ qua các tính chất sóng của ánh sáng như phân cực hoặc nhiễu xạ [25] Một số phương pháp được đề xuất để giải phương trình RTE trong mô hình hóa sự truyền ánh sáng trong môi trường sinh học bao gồm phương pháp số, phương pháp giải tích Trong đó, phương pháp mô phỏng Monte Carlo (MC) được coi là “tiêu chuẩn vàng” bởi những ưu điểm của nó như giảm tải tính toán và sửa lỗi Mô phỏng