Luận án tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

1 PGS TS Huỳnh Quang Linh 2 TS Phạm Thị Hải Miền

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan:

- Đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào

- Các kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực, khách quan, áp dụng các nguyên tắc đạo đức của tuyên bố Helsinki, tuân thủ các quy tắc đạo đức nghiên cứu của Đại học Quốc gia TP.HCM, cũng như tuân thủ các quy định theo Hướng dẫn quốc gia về đạo đức trong nghiên cứu y sinh học của Bộ Y tế đối với nghiên cứu chẩn đoán điều trị trên người

- Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Trần Văn Tiến

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT QUANG HỌC ĐA BƯỚC SÓNG

TRONG CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH DA LIỄU, NỘI SOI VÀ PHỤ KHOA Các nghiên cứu về tương tác ánh sáng với mô sinh học ngày nay đã có những khả năng phong phú trong việc xác định thông tin về sinh lý, hình thái và thành phần của mô Vì mô sinh học được cấu thành từ nhiều lớp, nhiều thành phần và không đồng nhất về mặt quang học nên tương tác quang học thông qua sự hấp thụ và tán xạ của mỗi loại mô ứng với các bước sóng kích thích khác nhau có tính đặc thù mang tính mô tả đầy đủ các đặc điểm khác nhau của mô Trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh, các ứng dụng tương tác ánh sáng với mô cũng đã đạt được những kết quả đầy hứa hẹn trong việc khảo sát tính chất mô, hướng đến việc ứng dụng và chế tạo các công cụ chẩn đoán y khoa hiện đại, an toàn, hữu ích như nội soi, chẩn đoán tai mũi họng, da liễu, cổ tử cung Luận án này tập trung nghiên cứu việc ứng dụng tương tác ánh sáng với mô sinh học, kết hợp với các thuật toán xử lý hình ảnh đặc trưng để tạo nên các phương pháp và thiết bị hỗ trợ chẩn đoán hình ảnh y khoa trong một số lĩnh vực chọn lọc liên quan đến chẩn đoán hình ảnh quang học của bề mặt da, tai giữa và cổ tử cung Trên cơ sở của những kết quả nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng, bốn hệ thống chụp ảnh đã được thiết kế và thử nghiệm thu nhận hình ảnh của các đối tượng khác nhau bao gồm hệ thống chụp ảnh da, tĩnh mạch chi, nội soi tai giữa và cổ tử cung Nguồn sáng được sử dụng trong hệ quang học là nguồn sáng LED có độ sáng cao với các phổ bước sóng thay đổi hoặc kết hợp trong vùng khả kiến đến hồng ngoại gần Hình ảnh các đối tượng thu nhận được đã được xử lý và phân tích bằng các thuật toán tổng hợp hình ảnh được xây dựng và phát triển dựa trên sự kết hợp của các hình ảnh đa bước sóng nhằm tăng cường khả năng phân biệt mô đối tượng và các cấu trúc xung quanh Tiếp theo, các thuật toán phân đoạn phù hợp được sử dụng để phát hiện và trích xuất các đối tượng giải phẫu cụ thể trong hình ảnh Kết quả quan trọng đạt được của luận án bao gồm: thứ nhất, nghiên cứu đã chứng minh được tính hiệu dụng của các phương pháp đề xuất trên bằng cách đánh giá tỷ lệ tương phản của các mô khác nhau; thứ hai, kết quả nghiên cứu về ứng dụng của kỹ thuật hình ảnh đa bước sóng trong quan sát và phân tách màng nhĩ trong tai người chỉ ra rằng, hình

iii

ảnh được chiếu bởi ánh sáng đỏ cho khả năng quan sát màng nhĩ rõ ràng, ít nhiễu, tách biệt với vùng da xung quanh đồng nhất; và thứ ba, phương pháp tăng cường độ tương phản giữa hai vùng biểu mô trên cổ tử cung thể hiện ưu điểm quan trọng là tạo ra hình ảnh hợp nhất có độ tương phản tốt giữa vùng biểu mô lát (phủ) và biểu mô tuyến trên bề mặt cổ tử cung, tạo nên phương pháp soi cổ tử cung mới bằng kỹ thuật quang học Các kỹ thuật quang học sử dụng các nguồn sáng LED phù hợp rất đa dạng hiện nay kết hợp các kỹ thuật xử lý ảnh số được phát triển phù hợp đang mở ra những ứng dụng tiềm năng và triển vọng trong chẩn đoán hình ảnh y khoa, đáp ứng các tiêu chí xâm lấn tối thiểu, an toàn, nhanh chóng và tiện dụng một cách linh hoạt

v

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

vi

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và hỗ trợ về mọi mặt của Nhà trường, quý Thầy Cô, các anh chị, gia đình và các bạn Bằng sự kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

• Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo sau Đại học, Khoa Khoa học Ứng dụng trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập

• PGS TS Huỳnh Quang Linh, TS Lý Anh Tú, TS Phạm Thị Hải Miền đã tận tình chỉ bảo, định hướng, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như giải đáp những thắc mắc để tôi có thể hoàn thành tốt luận án này Các Thầy, Cô thuộc Bộ môn Vật lý Kỹ thuật y sinh, Vật lý Ứng dụng đã truyền đạt cho tôi những kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm trong quá 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 đã tư vấn, hỗ trợ tôi và cộng sự trong quá trình lấy cơ sỡ dữ liệu, và thực hiện các đánh giá liên quan đến y khoa

• Gia đình, bạn bè những người thân luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận án trong khả năng tốt nhất có thể

• Sau cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô của Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh cũng như quý Thầy, Cô trong bộ môn Vật lý Kỹ thuật y sinh và Vật lý Ứng dụng thật dồi dào sức khỏe, nhiều niềm vui để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau Tôi xin chân thành cảm ơn./

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2022

Trần Văn Tiến

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xviii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

Cơ sở về tính chất vật lý của bức xạ điện từ 5

1.1.1 Nguồn sáng LED 5

1.1.2 Sự phân cực ánh sáng 7

1.1.3 Tương tác ánh sáng với mô 10

Tổng quan về ứng dụng chẩn đoán quang học 17

1.2.1 Giới thiệu chung 17

1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu các bệnh về da 18

1.2.3 Tổng quan về các nghiên cứu trên tai giữa 28

1.2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu bệnh lý cổ tử cung 37

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 48

Kỹ thuật chụp ảnh phân cực và đa bước sóng 48

2.1.1 Mô hình hình ảnh phân cực ánh sáng trên mô sinh học 48

2.1.2 Hệ thống hình ảnh đa bước sóng 50

Phương pháp thu nhận và xử lý hình ảnh da 54

viii

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 giữa và phân đoạn màng nhĩ 63

2.3.1 Phương pháp thu nhận hình ảnh tai giữa 63

2.3.2 Phương pháp phân đoạn màng nhĩ 72

2.3.3 Đối tượng nghiên cứu tai 77

Phương pháp thu nhận và xử lý hình ảnh soi CTC 78

2.4.1 Phương pháp thu nhận hình ảnh soi cổ 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 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 90

Kết quả nghiên cứu hình ảnh da liễu 90

3.1.1 Cơ sở dữ liệu hình ảnh da 90

3.1.2 Kết quả tăng tương phản máu trên da 91

3.1.3 Kết quả tăng tương phản melanin trên da 93

3.1.4 Kết quả tăng tương phản keratin trên da 98

Kết quả nghiên cứu hình ảnh tai giữa 104

3.2.1 Cơ sở dữ liệu hình ảnh tai giữa 104

3.2.2 Phân tích hình ảnh tai giữa đa bước sóng 106

3.2.3 Kết quả phân tách vùng màng nhĩ 111

Kết quả nghiên cứu hình ảnh cổ tử cung 113

3.3.1 Kết quả dữ liệu hình ảnh CTC 113

3.3.2 Kết quả tăng tương phản trên nang Nabothian 114

3.3.3 Kết quả tăng tương phản biểu mô lát - trụ 116

ix

CHƯƠNG 4 BÀN LUẬN CHUNG 123

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 127

Kết luận 127

Hướng phát triển 129

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

PHỤ LỤC 147

x

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ứng dụng LED trong kỹ thuật đa bước sóng; a hệ LED ba bước sóng, b hệ

LED tích hợp trên điện thoại thông minh [10] [11] 7

Hình 1.2 Các thành phần E/ / và E⊥ của sóng điện trường E lan truyền theo trục z, góc φ xác định phương của điện trường tại một thời điểm 8

Hình 1.3 Hình ảnh bề mặt cổ tử cung: a) chụp bằng kỹ thuật phân cực ánh sáng, b) mô tả sự định hướng collagen, thang góc tròn từ 00 đến 1800 chỉ góc định hướng của sợi collagen [14] 10

Hình 1.4 Tương tác chùm ánh sáng tới và hạt tán xạ 12

Hình 1.5 Quá trình tán xạ ánh sáng qua mô sinh học 13

Hình 1.6 Phổ hấp thụ của các chromophores điển hình trong mô [16] 15

Hình 1.7 Hình ảnh ba trường hợp bệnh u mạch máu: a Ảnh RGB; Các ảnh phân bố nồng độ: b oxy-hemoglobin; c deoxy-hemoglobin; d melanin [11] 16

Hình 1.8 Một số bệnh lý da liễu: a Bớt rượu vang, b Vảy nến thể mảng, c Nốt ruồi, d Ung thư da BCC [23] 19

Hình 1.9 Sự lan truyền ánh sáng qua mô trong kính soi da không phân cực (NPD) [30] 21

Hình 1.10 Sự lan truyền ánh sáng qua mô trong kính soi da phân cực (PD) [30] 22

Hình 1.11 Hình ảnh u mô bào (a và b) và ung thư biểu mô tế bào đáy (c và d) chụp dưới thiết bị soi da không phân cực (a và c) và phân cực (b và d) [32] 24

Hình 1.12 Trường hợp ung thư biểu mô tế bào đáy BCC: a ảnh chụp với ánh sáng đỏ, b ảnh chụp với ánh sáng xanh lá, c ảnh chụp với ánh sáng xanh dương, d ảnh tăng tương phản máu, e ảnh tăng tương phản melanin, f ảnh tăng tương phản melanin bề mặt [10] 26

Hình 1.13 Hình ảnh giải phẫu học cấu trúc tai người [45] 28

xi

Hình 1.14 Các dạng ống soi tai; a ống soi tai cầm tay (trái) và ống soi tai kết nối với điện thoại di động (phải ; b hệ thống nội soi tai mũi họng với ống nội soi cứng với: nguồn sáng (LS) và điều khiển LED, ống nội soi (R), ống kính (CM), cáp dẫn sáng (FO) [69] 31 Hình 1.15 a Sơ đồ khối của hệ ống soi tai huỳnh quang và hình ảnh thu được, b ánh sáng trắng, c hình ảnh huỳnh quang kích thích 405 nm và d kích thích 450 nm với bệnh viêm tai giữa có Cholesteatoma bẩm sinh [62] 32 Hình 1.16 a Sơ đồ khối của hệ ống soi tai đa bước sóng và hình ảnh thu được; b ánh sáng trắng và c hình ảnh ánh sáng xanh dương kết hợp trắng, d hình ảnh ánh sáng xanh dương kết hợp xanh lá với bệnh viêm tai giữa cấp tính [63] 34 Hình 1.17 Khả năng quan sát mạch máu trên màng nhĩ thủng ứng với ánh sáng trắng và ánh sáng qua các bộ lọc dải hẹp, thang điểm từ 0 – 2 [64] 35 Hình 1.18 a Sơ đồ khối của hệ ống soi tai với bức xạ hồng ngoại sóng ngắn; b kết quả thử nghiệm trên mô giả chứa dịch sử dụng ánh sáng trắng và bức xạ hồng ngoại; c kết quả đánh giá độ tương phản giữa cán búa và màng nhĩ [65] 36 Hình 1.19 Cấu trúc và vị trí của: a CTC trong cơ thể (trái); b bề mặt CTC (phải) Trong đó: (1) cổ tử cung, (2) vùng kênh, (3) bề mặt CTC, (4) âm đạo, (5) biểu mô trụ (tuyến), (6) biểu mô lát (vảy) 38 Hình 1.20 Phân bố theo độ tuổi các ca mắc mới ung thư cổ tử cung ở Việt Nam năm 2018 [75] 39 Hình 1.21 Hình ảnh bề mặt CTC nhân tạo được chụp bời thiết bị soi CTC: a Pocket Gen 4; b Pocket Gen 3; c Leisegang Optik 2 [102] 44 Hình 1.22 Mô hình máy soi CTC sử dụng nguồn sáng đa bước sóng của nhóm Wenqi Ren [106] 45 Hình 1.23 Thiết bị soi CTC kết nối điện thoại thông minh: a Thiết bị kết nối với điện thoại Motorola G2 sử dụng LED trắng ; b Thiết bị kết nối với điện thoại Nexus 6 sử dụng nguồn sáng đa bước sóng; c Pocket thế hệ 3 và 4 [102] [107] [108] 46

Hình 2.6 Sơ đồ khối đầu soi: 1 – Camera và hệ thấu kính; 2, 4 – Tấm phân cực; 3 – LED đa bước sóng; 5 – phễu 55

Hình 2.7 Mô hình quang học của mỗi đèn LED: 1 – Đèn LED, 2 – Chao đèn, 3 – Hệ kính, 4 – Bề mặt da 56

Hình 2.8 a Phổ hấp thụ ánh sáng của melanin và hemoglobin, b Quang phổ bức xạ LED Cree đa bước sóng Xlamp – XML [113] 57

Hình 2.9 Sơ đồ chức năng của khối xử lý, hiển thị hình ảnh 58

Hình 2.10 Giao diện chương trình thu nhận hình ảnh soi da 59

Hình 2.11 Mô hình thiết bị soi da sử dụng nguồn sáng phân cực đa bước sóng 59

Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán kết hợp hình ảnh da đa bước sóng 60

Hình 2.13 Sơ đồ khối mô hình thiết bị soi tai đa bước sóng: 1 – Khối nguồn; 2 – Cáp quang học; 3 – Ống nội soi cứng; 4 – camera; 5 – Máy tính và màn hình hiển thị 63

Hình 2.14 Mô hình quang học của nguồn sáng: 1 – Đèn LED, 2 – Chao đèn, 3 – Hệ thống thấu kính, 4 – Vùng hội tụ/ đầu vào cáp dẫn sáng 64

Hình 2.15 Chao đèn parabol: F – tiêu điểm, D – đường kính, d – chiều sâu 65

xiii

Hình 2.16 Mô phỏng: a Hệ thấu kính; b Sự hội tụ tia sáng qua hệ thấu kính 66

Hình 2.17 a Cáp quang dẫn sáng sử dụng trong nghiên cứu , b Sự lan truyền ánh sáng dọc theo sợi quang 67

Hình 2.18 Phần cứng khối thu nhận hình ảnh soi tai 68

Hình 2.19 Giao diện chương trình thu nhận hình ảnh soi tai 68

Hình 2.20 Mô hình thiết bị soi tai đa bước sóng 69

Hình 2.21 a Soi tai trên tình nguyện viên; b Hình chụp màng nhĩ sử dụng mô hình soi tai với nguồn sáng trắng 70

Hình 2.22 So sánh biểu đồ phân bố histogram từ 3 nguồn dữ liệu ảnh chụp nội soi tai giữa bằng các thiệt bị khác nhau: a mô hình thiết bị nội soi tại phòng thí nghiệm; b thiết bị nội soi Olympus; c thiết bị nội soi Hawk – HK 162 Pal 71

Hình 2.23 Biểu đồ độ tương phản: Nguồn ảnh từ mô hình thiết bị nội soi tại phòng thí nghiệm (N1), Nguồn ảnh từ thiết bị nội soi Olympus (N2), Nguồn ảnh từ thiết bị nội soi Hawk – HK 162 Pal (N3) 72

Hình 2.24 Sơ đồ thuật toán tách màng nhĩ 74

Hình 2.25 Minh họa quá trình thuật toán phân tách màng nhĩ: a Mô hình màng nhĩ; b Mặt nạ elip (đường cam); c Kết quả sau khi chạy thuật toán (đường xanh) 75

Hình 2.26 Hình ảnh minh họa hệ số tương tự Dice 76

Hình 2.27 Sơ đồ khối mô hình thiết bị soi CTC kỹ thuật số, trong đó: 1 – bề mặt cổ tử cung, 2 – nguồn sáng, 3 – máy ảnh, 4 – card kết nối, 5 – CPU xử lý, 6 – màn hình hiển thị 78

Hình 2.28 Sơ đồ khối nguồn sáng: 1 – vùng quan tâm (CTC); 2, 5 – tấm phân cực; 3 – đèn LED, 4 – phần thân của nguồn sáng 79

Hình 2.29 a LED Cree XP G2 và b Quang phổ bức xạ của LED Cree XP G2 [122] 79 Hình 2.30 Giao diện phần mềm sử dụng mô hình thiết bị máy soi CTC 81

Hình 2.31 a Mô hình thiết bị soi CTC, b Hình ảnh đặt thử nghiệm mô hình 82

xiv

Hình 2.32 Cấu trúc của hai loại biểu mô trên bề mặt cổ tử cung 83 Hình 2.33 Sự tương tác của ánh sáng với bề mặt cổ tử cung 85 Hình 2.34 Phổ hấp thụ ánh sáng của hemoglobin và collagen [128] [129] [130] [131] [132] 86 Hình 3.1 Vết bớt rượu vang được chụp dưới ánh sáng phân cực: a Trắng W; b Đỏ R; c Xanh lá G; d Xanh dương B 91 Hình 3.2 Đồ thị mối liên hệ giữa hệ số tương phản M và trọng số k trong sự kết hợp các cặp ảnh: a RG và RB; b GR và GB; c BR và BG 92 Hình 3.3 Bộ ảnh nốt ruồi được chụp bởi mô hình thiết bị soi da đa bước sóng: a Ảnh Trắng W; b Ảnh Đỏ R; c Ảnh Xanh lá G; d Ảnh Xanh dương B 94

Hình 3.4 Đồ thị mối liên hệ giữa hệ số tương phản và trong số k trong các sự kết hợp

ảnh khác nhau: a RG và RB; b GR và GB; c BR và BG 95

Hình 3.5 Ảnh sau kết hợp ứng với giá trị k cho hệ số tương phản melanin cực đại: a

RG; b GR; c BR 95 Hình 3.6 Ảnh nốt ruồi sau xử lý theo phương pháp: a Kết hợp ảnh RG tại vị trí k = 0; b Kapsokalyvas tăng tương phản melanin; c Kết hợp ảnh BG tại k = 1,2; d Kapsokalyvas tăng tương phản melanin bề mặt 97 Hình 3.7 Ảnh vảy nến thể mảng chụp bởi mô hình thiết bị soi da đa bước sóng: a Ảnh Trắng W vảy / da; b ảnh trắng W vảy / hồng ban Trong đó mảng vảy trắng bạc (mũi tên vàng), vùng da bình thường (hình sao đen), vùng da đậm màu hơn do hàm lượng melanin cao hơn (mũi tên xanh) 99

Hình 3.8 Hình ảnh vảy / da ở thang màu Jet: a Ảnh đỏ R; b Ảnh Xanh lá G; c Ảnh

Xanh dương B 99

Hình 3.9 Đồ thị mối liên hệ giữa hệ số tương phản và trong số k trong các sự kết hợp

ảnh khác nhau: a RG và RB; b GR và GB; c BR và BG 101

Hình 3.10 Ảnh sau kết hợp ứng với giá trị k cho hệ số tương phản vảy / da cực đại: a

GR; b BR; c BG Trong đó vùng vảy (mũi tên đen), vùng da bình thường (hình sao

xv

đen), vùng da đậm màu hơn do hàm lượng melanin cao hơn (mũi tên đen – nét đứt) 101

Hình 3.11 Ảnh sau kết hợp ứng với giá trị k cho hệ số tương phản keratin cực tiểu: a

GR; b BR; c BG Trong đó vùng vảy – mũi tên, vùng da bình thường – hình sao 102

Hình 3.12 Ảnh vảy / hồng ban, trong đó: a, b, c lần lượt ảnh R, G, B ở thang màu Jet; d,

e, f lần lượt là ảnh kết hợp GR, BR, BG với hệ số tương phản M cực đại ở thang màu Jet; g, h, i lần lượt là ảnh kết hợp GR, BR, BG với hệ số tương phản M cực tiểu ở thang màu xám 103 Hình 3.13 Hình ảnh màng nhĩ bình thường – tai phải: a Ảnh Trắng W, b Ảnh Đỏ R, c Ảnh Xanh lá G, d Ảnh Xanh dương B và e, f, g, h là hình ảnh thang độ xám của a, b, c, d Xương cán búa (mũi tên màu cam), mạch máu (mũi tên màu vàng), xương incus (mũi tên màu xanh), một vùng của mô xung quanh màng nhĩ (hình vuông chấm màu vàng) và tam giác sáng (mũi tên màu đỏ) 106 Hình 3.14 So sánh hình ảnh cường độ và biểu đồ vùng thu được với hình ảnh đa bước sóng trên màng nhĩ thể hiện trong Hình 3.13 Trong đó: a - d là ảnh W, R, G, B trên thang Jet; e - h hiển thị biểu đồ vùng của hình ảnh a – d tương ứng 108 Hình 3.15 So sánh biểu đồ đường tương ứng với hình ảnh J White, J Red, J Green và J Blue được hiển thị trong Hình 3.14 Trong đó: a – d hiển thị biểu đồ ngang và e – h hiển thị biểu đồ dọc 110 Hình 3.16 Kết quả phân đoạn màng nhĩ: a, e – Ảnh Trắng W; b, f – Ảnh Đỏ R; c, g – Ảnh Xanh lá G; d, h – Ảnh Xanh dương B Vùng màu xanh lá là kết quả của thuật toán, vùng màu hồng là ground truth và màu trắng là kết quả chồng lấp của hai vùng 111

Hình 3.17 Giá trị số liệu trung bình của kết quả phân đoạn của màng nhĩ; a giá trị

DSC, b HD 112

Hình 3.18 Hình ảnh phân cực chéo in vivo bề mặt CTC: a trước khi áp dụng Lugol’s iodine, b sau tăng tương phản máu, c sau tăng tương phản collagen Trong đó: 1 – Vùng chảy máu và 2 – Vùng nang Nabothian 115

xvi

Hình 3.19 Hình ảnh CTC lộ tuyến: a trước và b sau khi phết Lugol, trong đó: 1 – Biểu mô trụ, 2 – Biểu mô lát, 3 – Lỗ CTC, 4 – Vùng tiếp giáp biểu mô lát-trụ, 5 – Chói 116 Hình 3.20 Ảnh viêm lộ tuyến CTC sau khi được tách kênh: a Ảnh kênh đỏ R; b Ảnh kênh xanh lá G; c Ảnh kênh xanh dương B 117 Hình 3.21 Ảnh CTC sau tăng tương phản máu bằng phương pháp: a GR; b BR 118 Hình 3.22 Ảnh bề mặt CTC bị viêm lộ tuyến và biểu đồ histogram của hai vùng biểu mô trong các trường hợp: a, g Ảnh Trắng phân cực; b, h Ảnh Lugol; c, i Ảnh xử lý bằng phương pháp GR; d, k Ảnh xử lý bằng phương pháp BR; e, l Ảnh xử lý bằng phương pháp Kapsokalyvas, f, m Ảnh xử lý bằng phương pháp CLAHE Zone 1: vùng biểu mô trụ; Zone 2: vùng biểu mô lát 120 Hình 3.23 a Hệ số tương phản CR và b hệ số tương phản trên nhiễu CRN giữa hai vùng biểu mô lát-trụ 121

xvii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự khác biệt giữa kính soi da không phân cực và kính soi da phân cực (+, ++,

+++ tương ứng với thấy, thấy rõ và thấy rất rõ; − tương ứng với không thấy) 23

Bảng 1.2 Các kỹ thuật quang học được sử dụng trong soi tai 30

Bảng 2.1 Phân loại và đặc trưng chính của hình ảnh đa phổ 51

Bảng 2.2 Một số thông số của LED Cree đa bước sóng Xlamp-XML [113] 57

Bảng 3.1 Thông tin cơ bản về cơ sở dữ liệu ảnh da liễu 90

Bảng 3.2 Hệ số tăng tương phản máu trên 10 bộ ảnh 93

Bảng 3.3 Hệ số tương phản melanin và melanin bề mặt trên 20 bộ ảnh 98

Bảng 3.4 Thông tin cơ bản về cơ sở dữ liệu tai giữa 105

Bảng 3.5 Thông tin cơ bản về cơ sở dữ liệu ảnh cổ tử cung 114

xviii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT

AOM Acute Otitis Media Viêm tai giữa cấp tính BCC Basal Cell Carcinoma Ung thư biểu mô tế bào đáy

CCD Charge Coupled Device Cảm biến công nghệ tích điện kép

CIN Cervical Intraepithelial Neoplasia

Tân sinh trong biểu mô cổ tử cung

CLAHE Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization

Phương pháp cân bằng xám đáp ứng giới hạn tương phản

CMOS Complimentary Metal-Oxide Semiconductor

Cảm biến công nghệ mạch tích hợp

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

CRI Color Rendering Index Chỉ số hoàn màu

CRN Contrast-to-noise Ratio Độ tương phản trên nhiễu

CSOM Chronic Suppurative Otitis

CT Computed Tomography Chụp cắt lớp vi tính

xix

DEJ Dermal-Epidermal Junction Phần tiếp giáp giữa biểu bì-hạ bì

DSC Dice Similarity Coefficient Hệ số tương tự Dice FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng quang phổ

HDMI High-Definition Multimedia Interface

Giao diện đa phương tiện với độ phân giải cao

HPV Human Papillomavirus Vi rút u nhú ở người HSI Hyperspectral Imaging Hình ảnh siêu phổ

LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Ánh sáng khuếch đại bằng bức xạ kích thích

LED Light-Emitting Diode Đi-ốt phát quang MRI Magnetic Resonance Image Chụp cộng hưởng từ

MSI Multispectral Imaging Hình ảnh đa phổ

MPI Mueller Polarimetric Imaging Hình ảnh ma trận Mueller NBI Narrow Band Imaging Hệ thống chụp ảnh dải hẹp

xx

NIR Near-Infrared Spectroscopy Quang phổ cận hồng ngoại NPD Non-Polarizied Dermoscopes Kính soi da không phân cực

OCT Optical Coherence Tomography

Phương pháp chụp cắt lớp quang học

OME Otitis Media with Effusion Viêm tai giữa tràn dịch

PASI Psoriasis Area and Severity Index

Chỉ số mức độ nghiêm trọng vùng vảy nến

PD Polarizied Dermoscopes Kính soi da phân cực

PET Positron Emission Tomography Chụp cắt lớp phát xạ positron

SCC Squamous Cell Carcinoma Ung thư biểu mô tế bào vảy SCJ Squamocolumnar Junction Ranh giới lát trụ

SHG Second Harmonic Generation Hình ảnh chụp sóng hài bậc 2 SWIR Short-Wave Infrared Sóng hồng ngoại ngắn

xxi

VIA Visual Inspection with Acid acetic

Phương pháp quan sát CTC kết hợp sử dụng axit acetic

VILI Visual Inspection with Lugol’s Iodine

Phương pháp quan sát CTC kết hợp sử dụng Lugol 3% - 5%

1

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền y học hiện đại, bên cạnh các chẩn đoán lâm sàng, các chẩn đoán tiền lâm sàng dựa trên hình ảnh y học ngày càng có vai trò quan trọng trong việc phát hiện, đánh giá chính xác các giai đoạn của nhiều loại bệnh cũng như trong việc đánh giá đáp ứng với điều trị Hình ảnh y học là kỹ thuật và quy trình tạo ra các hình ảnh biểu hiện trực quan về cấu trúc, chức năng của cơ quan, mô hoặc tế bào [1] [2] Nó thiết lập một cơ sở dữ liệu giải phẫu học và sinh lý học bình thường để phục vụ việc xác định các bất thường trong mô sinh học Do đó, thông thường hình ảnh y học còn được gọi là chẩn đoán hình ảnh

Trong những năm gần đây, các kỹ thuật hình ảnh quang học hiện đại đã chứng minh tầm quan trọng của chúng trong hình ảnh y học bằng cách cung cấp thêm các thông tin chẩn đoán có giá trị trên nhiều đối tượng theo thời gian thực và độ chính xác cao hơn Ngoài ra, các phương pháp hình ảnh quang học cũng đã cải thiện đáng kể độ phân giải không gian của hình ảnh Trong đó, phương pháp chụp cắt lớp quang học (Optical Coherence Tomography – OCT) có độ phân giải từ 2 µm – 10 µm, phương pháp kính hiển vi đồng tiêu (Confocal Microscopy) có độ phân giải đạt nhỏ hơn 1 µm [3] Một kỹ thuật hình ảnh quang học mới đang được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và chẩn đoán y học là kỹ thuật hình ảnh quang phổ (Spectral Imaging) Kỹ thuật này ngày càng đạt độ phân giải không gian cao hơn, dưới 100 µm, tuy nhiên các phương pháp này có hạn chế về độ xuyên sâu, chỉ đạt đến độ sâu vài mm do giới hạn lan truyền của ánh sáng khi truyền qua các mô [1] [4] [5], phù hợp hơn trong các nghiên cứu đánh giá bề mặt

Kỹ thuật hình ảnh quang phổ là kỹ thuật chụp ảnh không xâm lấn, nhanh chóng, dựa trên tương tác giữa bức xạ điện từ và các mô, cung cấp thông tin chẩn đoán định lượng về bệnh lý mô sinh học [4] [5] Hình ảnh đối tượng được chụp lại dưới nhiều dải quang phổ khác nhau (từ một vài dải đến hàng trăm dải) cùng một lúc trong khi các phương pháp hình ảnh quang học thông thường chỉ có thể thu được dưới một dải quang phổ xác định Hai loại hình ảnh quang phổ thường được sử dụng là hình ảnh siêu phổ (Hyperspectral Imaging – HSI) và hình ảnh đa phổ hoặc đa bước sóng (Multispectral

2

Imaging – MSI) [4] [5] Trong phương pháp MSI, đối tượng được chụp lại dưới sự chiếu sáng của một số dải bước sóng rời rạc (dưới 10 dải) và băng thông trong khoảng từ 5 nm đến 50 nm; trong khi đó với phương pháp HSI, đối tượng được chụp lại dưới sự chiếu sáng lên đến hàng trăm dải bước sóng Do sự tương tác ánh sáng và mô, kỹ thuật hình ảnh quang phổ cho phép dự đoán, xác định nhiều đặc trưng mô học, mang lại lợi thế chẩn đoán đầy triển vọng so với việc thu nhận và phân tích hình ảnh dưới một dải bức xạ duy nhất

Trong ảnh quang phổ, thông tin không gian của hình ảnh cho thấy kích thước và hình dạng của các đối tượng, thông tin quang phổ phản ánh thành phần hóa học và hàm lượng của các chất khác nhau Khi bệnh phát triển, tính chất quang học và bệnh lý của các mô sẽ thay đổi tương ứng [1] [4] [5] [6] Các đặc điểm quang phổ gây ra bởi những thay đổi này có thể được các hệ thống chụp ảnh và xử lý quang phổ chuyển thành thông tin chẩn đoán định lượng Bên cạnh chẩn đoán, ngày nay hệ thống hình ảnh quang phổ cũng được sử dụng trong phẫu thuật hướng dẫn bằng hình ảnh

Như đã nói ở trên, mặc dù độ phân giải và các đặc trưng về tính chất phổ của phương pháp hình ảnh quang phổ là nổi bật, tuy nhiên các phương pháp này có hạn chế về độ xuyên sâu, chỉ đạt đến độ sâu vài mm [7] Lý do là vì sự lan truyền của photon trong mô sinh học chịu ảnh hưởng của các yếu tố như sự hấp thụ, tán xạ, bất đẳng hướng và chiết suất Các mô lại có cấu trúc và thành phần không đồng nhất, dẫn đến sự thâm nhập của ánh sáng với các bước sóng khác nhau qua các mô khác nhau là khác nhau Đối với mô da người, ánh sáng khả kiến xuyên qua các mô điển hình đến độ sâu từ 0,5 mm – 2,5 mm trong khi đó với ánh sáng vùng hồng ngoại có bước sóng từ 600 nm – 1600 nm có thể xuyên sâu đạt đến 8 mm – 10 mm [6] [7] Hình ảnh ghi nhận bởi phương pháp hình ảnh quang học có thể được thu nhận bằng hai phương pháp khác nhau: phương pháp truyền qua với ánh sáng từ nguồn truyền xuyên qua mẫu vật đến đầu thu; phương pháp phản xạ bề mặt với ánh sáng từ nguồn chiếu đến bề mặt vật mẫu và bị phản xạ đến đầu thu Giới hạn về độ xuyên sâu của ánh sáng qua mô giải thích tại sao các phương pháp hình ảnh quang học trong y tế chủ yếu ghi nhận và xử lý hình ảnh thông qua chế độ phản xạ từ bề mặt mẫu vật, và được áp dụng trên các bề mặt nông, bao gồm các cơ quan bên

3

ngoài như da, mắt và các cơ quan khác có thể quan sát thông qua nội soi như nội soi dạ dày, nội soi đại trực tràng, nội soi tai mũi họng, nội soi cổ tử cung [1] [4] [5]… Trong giới hạn của nghiên cứu này, các ứng dụng hình ảnh quang phổ trong lĩnh vực soi da, nội soi tai và soi cổ tử cung sẽ được nghiên cứu và trình bày

Qua tổng quan chung như trên, mục tiêu chính của luận án được đề ra là nghiên cứu

các kỹ thuật quang học kết hợp thuật toán sử dụng đặc tính tương tác ánh sáng và mô trên các hình ảnh y sinh được chụp bởi nguồn sáng LED kết hợp kỹ thuật phân cực hoặc kỹ thuật đa bước sóng để tăng cường các đặc trưng bệnh lý, hỗ trợ chẩn đoán một số bệnh lý liên quan đến da, tai giữa và cổ tử cung

Để thực hiện được mục tiêu đó, luận án tiến hành thực hiện các nhiệm vụ sau:

• Nghiên cứu vấn đề kỹ thuật để chế tạo các các mô hình thiết bị sử dụng kỹ thuật phân cực hoặc đa bước sóng, bao gồm các phần quang học, cơ học và hệ thống điện-điều khiển

• Xây dựng các thuật toán sử dụng các phương pháp xử lý hình ảnh tăng tương phản và nhận diện để hỗ trợ bác sĩ tăng cường khả năng đánh giá hình ảnh tốt hơn Với nội dung này, luận án có kết hợp với bác sĩ chuyên ngành thu thập hình ảnh các đối tượng với phương pháp không xâm lấn Trên cơ sở tương tác khác nhau của ánh sáng với hemoglobin, melanin, keratin, nghiên cứu đề ra các giải thuật xử lý hình ảnh nhằm nâng cao độ tương phản của cũng như nhận dạng một số vùng đặc trưng sinh học của từng đối tượng trên: da, màng nhĩ và bề mặt cổ tử cung

Về bố cục, luận án được chia thành 5 chương chính, mỗi chương sẽ giới thiệu một vấn

đề cụ thể để hướng đến đạt được mục tiêu chung của luận án:

Phần đầu tiên là Lời nói đầu, giới thiệu xu hướng, tính thời sự, tính cấp thiết và giá trị

khoa học của việc ứng dụng phương pháp quang phổ đa bước sóng trong chẩn đoán hình ảnh y khoa Từ đó, đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ cụ thể của luận án Bố cục và một số kết quả chính của luận án cũng được trình bày trong phần này

Chương 1 trình bày kiến thức tổng quan, bao gồm tính chất vật lý của ánh sáng cũng

như các tương tác của ánh sáng với mô sống; các nghiên cứu ứng dụng tính phân cực

4

của ánh sáng cũng như các tương tác quang học với mô trong chẩn đoán y khoa, những ứng dụng trong lĩnh vực da liễu, nội soi và phụ khoa Song song với việc trình bày tổng quan các nghiên cứu hỗ trợ chẩn đoán, tình hình một số bệnh lý liên quan cũng được đề cập

Chương 2 trình bày cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu, bao gồm các kỹ thuật

chụp ảnh phân cực, chụp ảnh đa bước sóng; các phương pháp thu nhận hình ảnh cũng như phương pháp xử lý các hình ảnh da liễu, nội soi và phụ khoa

Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu và thảo luận, bao gồm các kết quả phần cứng

cũng như phần mềm quan trọng đạt được và các thảo luận nhằm xác định tính đúng cũng như tính mới của kết quả

Chương 4 là phần bàn luận chung, trình bày khái quát hóa và bàn luận kết quả chung

của luận án

Chương 5 là kết luận và hướng phát triển, trình bày tổng kết các kết quả của luận án và

hướng phát triển của nghiên cứu

Danh sách công trình đã công bố liệt kê tất cả các bài báo đăng trên tạp chí ISI, tạp chí

trong nước, các bài báo cáo trên Hội nghị quốc tế, Hội nghị trong nước, các đề tài nghiên cứu hoa học mà luận án có tham gia cũng như các bằng sáng chế, giải pháp hữu ích

Luận án đã có những đóng góp khoa học và thực tiễn mang tính mới có thể liệt kê

tóm tắt như sau: (i) Với nghiên cứu chẩn đoán da liễu, chế tạo được 02 mô hình thiết bị soi tĩnh mạch và soi da được cấp bản quyền giải pháp hữu ích quốc gia; (ii) Với nghiên cứu phương pháp nội soi, chế tạo được mô hình thiết bị soi vòm họng được cấp bằng sáng chế quốc gia và công bố trên tạp chí quốc tế việc xây dựng được phương pháp phân đoạn màng nhĩ ra khỏi tai giữa và ánh sáng đỏ; (iii) Với nghiên cứu trong lĩnh vực phụ khoa, việc xây dựng mới phương pháp tăng tương phản biểu mô lát – trụ trên bề mặt cổ tử cung, làm nền tảng để thiết kế thiết bị mới hỗ trợ chẩn đoán phụ khoa bằng kỹ thuật

quang học đã công bố trên tạp chí quốc tế

• Về hiệu suất phát quang: hiệu suất phát quang của LED (> 100 lm/W) là vượt trội so với các loại đèn sợi đốt thông thường (10 – 20 lm/W) và đèn huỳnh quang (40 – 50 lm/W) Hiệu suất phát quang của LED không bị ảnh hưởng bởi hình dạng và kích thước như đèn huỳnh quang Kích thước chip LED rất nhỏ (< 2 mm2) và dễ dàng gắn vào bảng mạch in LED sử dụng nguồn điện 1 chiều, LED phát sáng cực kỳ nhanh chóng, một LED điển hình có thể đạt được độ sáng đầy đủ dưới 1 μs Đặc tính này giúp LED được ứng dụng trong các chế độ chiếu sáng liên tục hoặc xung

• Về độ bền: LED là linh kiện ở trạng thái rắn, rất khó bị hư hại do va đập bên ngoài, không giống như bóng đèn huỳnh quang và bóng đèn sợi đốt, rất dễ vỡ Ngoài ra LED thân thiện với môi trường hơn do tuổi thọ cao cũng như không chứa thuỷ ngân • Về dải quang phổ/ màu sắc: LED được làm từ các hợp chất bán dẫn và được pha tạp, tất cả được trộn với nhau ở các tỷ lệ khác nhau để tạo ra một bước sóng riêng biệt Bên cạnh những màu sắc trong vùng UV-A, UV-B, khả kiến, ánh sáng trắng, IR-A, LED đã được nghiên cứu chế tạo thành công ở những vùng đặc biệt như UV-C (100 nm – 280 nm) cũng như IR-B (1400 nm– 3000 nm)

6

• Về tính đơn sắc, định hướng: LED là nguồn sáng không hoàn toàn đơn sắc, tuy vậy độ rộng quang phổ (Full width at half maximum / Bandwidth – FWHM) của đèn LED ngày càng được thu hẹp khoảng 10 – 50 nm Tính định hướng của LED thấp hơn nhiều so với Laser LED phù hợp với nhiều ứng dụng trong lâm sàng như kích thích phát quang, điều trị [9]

• Về chỉ số hoàn màu: chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index – CRI) phản ánh độ trung thực về màu sắc của vật thể được chiếu sáng CRI thể hiện chất lượng ánh sáng của nguồn sáng và ảnh hưởng trực tiếp đến màu sắc, độ trung thực của vật được chiếu sáng CRI có thang từ 0 – 100, ánh sáng mặt trời được lấy làm chuẩn với CRI = 100 Chỉ số hoàn màu của đèn LED là 70 – 98, gần với ánh sáng tự nhiên nhất so với các loại nguồn sáng khác Do đó, LED phù hợp sử dụng làm nguồn sáng trong các cơ sở y tế cũng như trong các thiết bị hình ảnh y học, đóng vài trò hiệu quả trong tăng cường khả năng quan sát, chẩn đoán hình ảnh y khoa

• Về nhiệt độ màu: nhiệt độ màu là thông số đặc trưng của ánh sáng, chỉ màu sắc ánh sáng phát ra ở một nhiệt độ K nhất định Thang đo nhiệt độ màu có màu sắc từ màu nóng đến màu lạnh (1.000 K đến 10.000 K) Đèn LED có nhiệt độ màu đa dạng, dao động từ 2.700 – 6.700 K, ứng với ánh sáng trắng ấm, trung tính và trắng lạnh Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh sử dụng kỹ thuật quang học ngày càng phát triển Hình ảnh quang học rất thích hợp cho các ứng dụng chẩn đoán y khoa vì không chỉ cung cấp cái nhìn trực quan, nó cung cấp thông tin về cấu trúc và chức năng của các mô khác nhau, từ tế bào đơn lẻ đến toàn bộ cơ thể Ánh sáng LED đã dần thay thế các nguồn sáng sợi đốt, halogen trong các thiết bị soi và nội soi Nguồn sáng LED trắng được sử dụng rộng rãi trong thiết bị soi như soi da, tai mũi họng, phụ khoa đến các cơ quan bên trong cơ thể như đại trực tràng, dạ dày, phế quản Nguồn sáng LED đỏ được sử dụng trong quan sát tĩnh mạch, LED xanh lá được sử dụng trong quan sát tăng tương phản máu, LED hồng ngoại trong quan sát hình ảnh võng mạc Bên cạnh đó các kỹ thuật kết hợp đa bước sóng khác nhau cũng đã có những kết quả triển vọng trong hỗ trợ chẩn đoán y khoa Trong hệ thống hình ảnh đa bước sóng với nguồn sáng LED thường bao gồm n loại đèn LED với dải bước sóng khác nhau, mỗi loại đèn LED được chiếu sáng theo thứ tự và camera đơn sắc chụp ảnh vật thể dưới đèn LED chiếu sáng, từ đó tạo ra bộ hình

7

ảnh đa bước sóng với n dải khác nhau Hình 1.1 mô tả một số ứng dụng kỹ thuật hình ảnh đa bước sóng sử dụng nguồn sáng LED trong nghiên cứu các bệnh lý về da Kapsokalyvas và cộng sự [10] đã sử dụng nguồn sáng LED ở ba vùng phổ riêng biệt (470 nm, 530 nm và 625 nm) trong mô hình hình ảnh soi da đa bước sóng trong nghiên cứu tăng tương phản máu và melanin trên bề mặt mô da (Hình 1.1 a) Spigulis và cộng sự [11] tích hợp nguồn sáng LED đa bước sóng trên thiết bị gắn với điện thoại thông minh, hệ thống này ghi nhận và phân tích các đặc trưng về phân bố hemoglobin cũng như melanin trên da (Hình 1.1 b)

và tổng sóng E là phân cực tròn trái (góc φ quay cùng chiều kim đồng hồ)

Vectơ Stoke mô tả về trạng thái phân cực của ánh sáng dựa trên việc đo cường độ sáu loại ánh sáng phân cực: H, V, P +, P −, R và L Trạng thái ánh sáng phân cực có thể được biểu thị bằng bốn tham số Stokes là I, Q, U và V; trong đó: I - chỉ tổng cường độ

Ma trận Mueller (M) (công thức (1.2)) mô tả về sự lan truyền ánh sáng qua một đối

tượng thông qua mối liên hệ giữa vectơ Stoke đầu vào (Sin) và vectơ Stoke tán xạ (Sout) theo công thức (1.3)

M MM M M M

M22 = HH – HV – VH + VV M33 = 4PP – 2PH – 2PV – M31M34 = 4RP – 2RH – 2RV – M31

(1.4)

1.1.3 Tương tác ánh sáng với mô

Ứng dụng tương tác ánh sáng với mô sinh học trong y sinh được chia thành hai lĩnh vực chính: thứ nhất, mô ảnh hưởng đến các photon, có thể thu được quang phổ mô hoặc hình ảnh được sử dụng trong chẩn đoán; thứ hai, photon ảnh hưởng đến mô như quang nhiệt, quang cơ, quang hóa…, được sử dụng trong phẫu thuật và điều trị Việc thảo luận về các hiện tượng quang học khác nhau trong tương tác ánh sáng với mô là một mảng rộng, phụ thuộc vào mối tương quan giữa các kỹ thuật quang học và đặc trưng mô khác nhau, có lợi cho chẩn đoán hoặc điều trị y sinh [6] [7] [15] Nội dung của nghiên cứu hướng đến các ứng dụng của phương pháp quang học đa bước sóng sử dụng nguồn sáng LED trên các bề mặt nông, do đó các mô tả chủ yếu liên quan đến cấu trúc mô da, tương tác ánh sáng và mô da Trong mục này, các tương tác quang học chính được trình bày là tán xạ và hấp thụ ánh sáng của mô sinh học

1.1.3.1 Hiện tượng tán xạ trong mô sinh học

Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng điện từ gặp vật cản Trong trường hợp ánh sáng đi đến mô da, thì các vật cản là các cấu trúc trong tế bào, được gọi là các vật tán xạ hoặc tâm tán xạ Nếu xem ánh sáng là sóng, khi sóng điện từ tương tác với hạt thì các electron

11

và hạt nhân trong các phân tử cấu tạo nên tế bào và mô sẽ sắp xếp lại làm xuất hiện các moment lưỡng cực điện cảm ứng Các moment lưỡng cực này sẽ dao động cùng tần số với ánh sáng chiếu tới, trở thành nguồn phát sóng điện từ và tạo ra các trường tán xạ Nếu xem ánh sáng là hạt, khi các photon tới tương tác với electron tán xạ, một phần năng lượng sẽ truyền cho electron, do đó mất mát năng lượng, cũng như thay đổi góc chuyển động so với phương ban đầu Sự tán xạ phụ thuộc vào kích thước, hình thái và cấu trúc của thành phần mô như màng tế bào, nhân tế bào, sợi collagen Ở mô bệnh, các thành phần này sẽ thay đổi, làm thay đổi tính chất tán xạ của mô Do đó hiện tượng tán xạ cung cấp phương tiện để chẩn đoán tình trạng bệnh lý, đặc biệt trong chẩn đoán hình ảnh Trong mô sinh học, tán xạ là cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền ánh sáng Tán xạ được chia thành 3 loại [6]:

• Khi kích thước tâm tán xạ (1 mm – 10 µm) rất lớn so với bước sóng, khi đó ánh sáng chiếu đến sẽ bị phản xạ và khúc xạ

• Tán xạ Mie – khi kích thước tâm tán xạ (10 µm – 1 nm) là tương đương bước sóng ánh sáng kích thích

• Tán xạ Rayleigh – khi kích thước tâm tán xạ (100 nm – 1 nm) là nhỏ đối với bước sóng ánh sáng kích thích

Trong các mô khác nhau, các tế bào có hình dạng và kích thước khác nhau, do đó, tâm tán xạ và cơ chế của các tán xạ là khác nhau Trong da, các bào quan (melanosome) là các tâm tán xạ chính, có kích thước từ 100 nm đến 2 µm; các melanosome này chứa các hạt melanin, kết nối thành chuỗi Trong máu, hồng cầu là những tâm tán xạ mạnh nhất, hồng cầu có dạng đĩa, dày 2 µm với đường kính từ 7 µm đến 9 µm Với các mô chống đỡ, do chúng được cấu tạo từ các sợi đàn hồi như elastin, collagen, nên tính chất tán xạ của các mô này thường thay đổi theo cấu trúc sợi hoặc vị trí mô Ví dụ như, trong khi các bó collagen có kích thước từ 0,5 µm – 12 µm, sợi elastin có kích thước từ 2 µm – 3 µm được xem xét dưới tán xạ Mie, thì sợi collagen trên võng mạc lại có kích thước 20 nm – 230 nm, nhỏ hơn bước sóng trong chẩn đoán nhiều lần nên gây ra tán xạ Rayleigh [6]

12

Hình 1.4 Tương tác chùm ánh sáng tới và hạt tán xạ

Sự tán xạ được đặc trưng bởi tiết diện tán xạ s(cm2) Hình 1.4 biểu diễn quá trình tương tác giữa chùm sáng tới và hạt tán xạ Trước khi xảy ra tán xạ, chùm tia sáng tới có cường độ là I0 (W/cm2) và tiết diện ngang là A (cm2) thì công suất nguồn tới là Pin(W) được xác định bởi công thức (1.5)

Sau khi tán xạ, một phần năng lượng bị bức xạ ra khỏi chùm ánh sáng tới và cường độ của ánh sáng còn lại bằng I (A0 −s), do đó, công suất nguồn ra là Pout (W) được xác định bằng công thức (1.6)

Lượng năng lượng tán xạ thì bằng với năng lượng của phần tia tới có tiết diện ngang là σs, như vậy tỉ số giữa công suất bị tán xạ Pscatt (W) và cường độ sáng của ánh sáng tới I0 (W/m2) chính là tiết diện ngang tán xạ (công thức (1.7))

Nếu trong môi trường có phân bố các tâm tán xạ giống nhau với mật độ tâm tán xạ ρ, hệ số tán xạ μs (cm-1) được định nghĩa là tiết diện ngang tán xạ trên một đơn vị thể tích của môi trường (công thức (1.8))

13

Quãng đường tán xạ tự do trung bình Ɩs biểu diễn quãng đường trung bình mà photon đi được giữa hai lần tán xạ kế tiếp nhau Quãng đường này được xác định theo công thức (1.9)

l =

Hình 1.5 Quá trình tán xạ ánh sáng qua mô sinh học

Trong một môi trường không hấp thụ, nếu chiếu chùm sáng có cường độ I0 tới mô có bề dày d, thì sau khi lan truyền qua mô, cường độ chùm sáng tán xạ sẽ bị suy giảm theo quy luật hàm mũ (Hình 1.5) Do hiệu suất tán xạ của môi trường được đặc trưng bởi hệ số tán xạ μs, nên cường độ chùm sáng tán xạ qua mô sẽ là Is được mô tả bằng công thức (1.10)

Theo công thức (1.10), ta có thể thấy cường độ ánh sáng tán xạ phụ thuộc vào bản chất tâm tán xạ (cụ thể là thông qua hệ số tán xạ và bề dày mô tán xạ) Như vậy, việc thu nhận ánh sáng tán xạ qua mô có thể cung cấp các thông tin hữu dụng về tâm tán xạ và mô mà ánh sáng đi qua

1.1.3.2 Hiện tượng hấp thụ của mô sinh học

Quá trình hấp thụ ánh sáng của mô sinh học là sự biến đổi năng lượng ánh sáng thành một dạng năng lượng khác khi ánh sáng truyền qua mô như quang nhiệt, quang âm, huỳnh quang, Thông thường, một môi trường hấp thụ bao gồm các tâm hấp thụ là các hạt hoặc bào quang [1] [2] Các tâm hấp thụ này có các phổ hấp thụ đặc trưng riêng đối

14

với mỗi bước sóng truyền tới Do đó, việc khai thác sự khác nhau của tính chất hấp thụ đối với các tâm hấp thụ khác nhau sẽ cho nhiều thông tin về tâm hấp thụ Đó là lý do vì sao đặc trưng về sự hấp thụ ánh sáng trong mô ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán y khoa Ví dụ, chụp ảnh huỳnh quang là một loại kỹ thuật hình ảnh không xâm lấn có thể giúp hình dung các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống Mỗi tế bào sống khác nhau có tính chất hấp thụ ánh sáng khác nhau, do đó, nó sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang khác nhau

Để mô tả sự hấp thụ của môi trường, các đại lượng đặc trưng bao gồm: tiết diện hấp thụ σa (cm2) và hệ số hấp thụ μa (cm-1) Trong đó, tiết diện hấp thụ được định nghĩa bởi tỉ số giữa phần công suất bức xạ bị hấp thụ Pabs và cường độ sáng của sóng tới I0 (công thức (1.11))

Một môi trường phân bố đều (với ρa là mật độ tâm hấp thụ các phần tử hấp thụ chính) sẽ có hệ số hấp thụ được tính là tích giữa mật độ tâm hấp thụ và tiết diện hấp thụ (công thức (1.12))

Tương tự như đối với hiện tượng tán xạ ánh sáng trong mô, cường độ chùm sáng còn lại bởi quá trình hấp thụ Id sau khi lan truyền trong lớp mô có bề dày d sẽ giảm theo quy luật hàm mũ theo công thức (1.13)

Khi ánh sáng chiếu đến da, một phần được hấp thụ, một phần bị phản xạ hoặc tán xạ và một phần được truyền đi Quá trình phản xạ của ánh sáng xảy ra ngay tại bề mặt, hiện tượng này được tạo ra bởi sự thay đổi chiết suất của không khí và tầng sừng (cấu trúc bởi các lớp keratinocytes, có chức năng bảo vệ bề mặt da) Lượng ánh sáng phản xạ giảm theo góc tới giảm và ít nhất khi ánh sáng tới vuông góc với bề mặt mô Quá trình tán xạ diễn ra khi các hạt photon thay đổi hướng lan truyền bên dưới lớp bề mặt Hiệu

15

ứng tán xạ làm cho ánh sáng lan rộng ra theo nhiều phương và hạn chế độ sâu thâm nhập của ánh sáng trong mô, dẫn đến chỉ một lượng ánh sáng rất nhỏ lan truyền thêm trong mô Cấu trúc sợi collagen da là nguyên nhân của hầu hết sự tán xạ trên da Ánh sáng có bước sóng dài (cận hồng ngoại) có khả năng thâm nhập sâu nhất qua da

Hình 1.6 Phổ hấp thụ của các chromophores điển hình trong mô [16]

Hầu hết ánh sáng chiếu đến được mô hấp thụ Các cấu trúc của mô hấp thụ các photon được gọi là các nhóm mang màu (chromophores) Chúng hấp thụ các bước sóng khác nhau Các chromophores phổ biến nhất trong mô là: hemoglobin, deoxy hemoglobin, melanin, collagen, chất béo và nước [6] [7] [15] Phổ hấp thụ được biểu diễn dưới dạng đồ thị về sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ với bước sóng chiếu tới Phổ hấp thụ trong vùng 400 nm – 1300 nm của các chromophores chính của mô được trình bày trong Hình 1.6 [16] Do nước là thành phần chính của bất kỳ mô nào, nên hệ số hấp thụ của nước thường chiếm ưu thế trong tổng hệ số hấp thụ của mô trong một bước sóng cụ thể, đặc biệt là trong vùng hồng ngoại [6] Trong vùng cửa sổ quang học (vùng quang phổ từ 600 nm – 1300 nm), sự hấp thụ ánh sáng của mô là cực tiểu, do đó ánh sáng thâm nhập sâu hơn vào mô [17] [16]

Các đặc trưng về phổ hấp thụ có nhiều ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh, nghiên cứu bệnh lý cũng như tầm soát ung thư Có thể thấy như quang phổ hấp thụ melanin rộng và giảm theo hàm mũ đặc trưng về phía bước sóng dài hơn Các sắc tố chi phối khác trong

16

da như hemoglobin có độ hấp thụ giảm đáng kể trong vùng phổ màu đỏ (~ 625 nm) Để tăng tương phản hình ảnh vùng chứa melanin, nguồn sáng đỏ được sử dụng, các mạch máu không thể nhìn thấy dưới ánh sáng đỏ, tạo ra một hình ảnh độ tương phản tăng cường cho cấu trúc melanocytic [10] Hemoglobin có hai loại là oxy-hemoglobin (oxyHb) và deoxy-hemoglobin (deoxyHb) có phổ hấp thụ khác nhau Quang phổ hấp thụ của oxy-hemoglobin có một đỉnh lớn vào khoảng 430 nm và một đỉnh thấp hơn vào khoảng 550 nm Do đó, sử dụng hình ảnh thu được từ nguồn sáng xanh dương hoặc ánh sáng xanh lá giúp tăng tương phản hình ảnh mạch máu so với vùng da xung quanh [10] Sự khác biệt trong phổ hấp thụ của hemoglobin liên quan đến liên kết oxy mã hóa thông tin quan trọng liên quan đến hoạt động sinh lý Ngoài ra hình ảnh phân bố hemoglobin có thể biểu diễn chính xác độ bão hòa oxy với các mô hình suy giảm ánh sáng thích hợp [11] Hình 1.7 là một kết quả ứng dụng sự khác biệt của phổ hấp thụ oxy-hemoglobin, deoxy-hemoglobin và melanin để thiết lập bản đồ về sự phân bố nồng độ của chúng trong ba trường hợp bệnh u mạch máu [11] Các bản đồ phân bố nồng độ này có thể hỗ trợ trong việc chẩn đoán/ điều trị bệnh lý

x Hình 1.7 Hình ảnh ba trường hợp bệnh u mạch máu: a Ảnh RGB; Các ảnh phân bố

nồng độ: b oxy-hemoglobin; c deoxy-hemoglobin; d melanin [11]

17

Như vậy, có thể thấy, sử dụng tính khác nhau trong tương tác giữa ánh sáng và mô da có thể giúp ích nhiều trong quá trình chẩn đoán bệnh lý trên hình ảnh

Tổng quan về ứng dụng chẩn đoán quang học

1.2.1 Giới thiệu chung

Vài năm qua đã chứng kiến những tiến bộ đáng kể trong hình ảnh y khoa Các thiết bị y tế và thuật toán được nghiên cứu và phát triển để cung cấp thông tin lâm sàng hữu ích thông qua tương tác ánh sáng và mô Hai lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng chính là quang phổ mô (Tissue Spectroscopy) và hình ảnh quang học y sinh (Medical Optical Imaging) Hình ảnh quang học y sinh là một trong những kỹ thuật phát triển nhanh nhất và được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe bao gồm chẩn đoán và điều trị Thăm khám lâm sàng kết hợp với chẩn đoán hình ảnh quang học là phương pháp đầu tiên được sử dụng trong phát hiện và chẩn đoán nhiều bệnh lý khác nhau Kỹ thuật hình ảnh quang học dựa trên tương tác ánh sáng và mô, chẳng hạn như sự khác biệt về hấp thụ, truyền qua, phản xạ, tán xạ và huỳnh quang giữa các mô, cung cấp thông tin về hình thái, cấu trúc và chức năng mô sinh học Các thiết bị, dụng cụ sử dụng kỹ thuật hình ảnh quang học từ đơn giản đến phức tạp có thể kể đến như kính hiển vi quang học, máy quang phổ, thiết bị soi / nội soi, hình ảnh Laser Doppler, thiết bị chụp cắt lớp quang học

Ngày nay, các thiết bị soi (da, tai mũi họng, tóc, mắt, phụ khoa) và nội soi (đại trực tràng, dạ dày, phế quản ) không thể tách rời với các thủ tục thăm khám lâm sàng và cận lâm sàng Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, cũng như việc ứng dụng các thành tựu công nghệ kỹ thuật vào các thiết bị y tế ngày càng đa dạng Liên tục có các cải tiến kỹ thuật cho các dạng thiết bị này: thay đổi nguồn sáng từ halogen sang LED công suất, tăng độ phân giải camera, sử dụng thiết bị hiển thị tốt hơn,… Tất cả đều hướng tới mục đích tăng cường chất lượng thiết bị cũng như hình ảnh thu nhận được, giúp hỗ trợ việc chẩn đoán bệnh của bác sĩ tốt hơn

Trong chương này, luận án trình bày tổng quan các nghiên cứu và thiết bị chẩn đoán hình ảnh quang học ứng dụng trong soi da, tai và cổ tử cung Đã có những tiến bộ đáng