Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ *** LƯU HOÀNG ANH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội, 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ *** LƯU HOÀNG ANH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: Th.S Trần Quang Huy Hà Nội, 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Trần Quang Huy, Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, thầy tận tình bảo, giúp đỡ tơi hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Đồng thời, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo thuộc Trường Đại học Sư phạm Hà Nội nói chung thầy, khoa Vật Lý nói riêng dạy dỗ suốt bốn năm học cung cấp cho từ kiến thức đến kiến thức chuyên sâu, kĩ thực hành, thực nghiệm tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt khóa luận Qua đây, tơi gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè người thân động viên, giúp đỡ suốt trình học tập q trình làm khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Lưu Hồng Anh LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan khóa luận tơi tự tìm hiểu nghiên cứu hướng dẫn Th.S Trần Quang Huy Đề tài khơng trùng với kết khóa luận trước Nếu sai tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Lưu Hoàng Anh MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận PHẦN : NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chẩn đốn hình ảnh 1.1.1.Chụp ảnh cắt lớp 1.1.2.Chụp cộng hưởng từ 1.1.3 Chụp siêu âm 1.2 Siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngược 17 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG SIÊU ÂM CẮT LỚP 20 2.1 Lặp vi phân born (DBIM) 20 2.2 Kỹ thuật trải rộng phổ 23 CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Tham số mô 27 3.2 Kết mô 27 PHẦN : KẾT LUẬN CHUNG 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ảnh chụp cắt lớp CT sọ não Hình 1.2: Ảnh chụp cơng hưởng từ (sọ não) Hình 1.3: Đầu dò siêu âm 10 Cấu hình hệ đo 19 Hình 2.2: Tạo ảnh MRI: Lỗi chuẩn hóa theo tỉ số nén khơng sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ (đường màu xanh) sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ (đường màu đen) [3] 23 Hình 3.1 Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh 26 Hình 3.2 Hàm mục tiêu lý tưởng 27 Hình 3.3 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 27 Hình 3.4 Ảnh khôi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 28 Hình 3.5 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 28 Hình 3.6 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 29 Hình 3.7 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 29 Hình 3.8 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 30 Hình 3.9 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 30 Hình 3.10 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 31 Hình 3.11 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 31 Hình 3.12 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 32 Hình 3.13 So sánh lỗi chuẩn hóa phương pháp DBIM CE-DBIM 33 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong y học, chẩn đốn hình ảnh phương pháp chẩn đốn cho phép bác sĩ quan sát hình ảnh phận thể cách trực quan nhất, từ đưa chẩn đốn xác bệnh lý để có biện pháp điều trị hiệu Ngày nay, với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, phương tiện chẩn đốn hình ảnh khơng ngừng cải tiến nhằm nâng cao độ xác, tính hữu ích ngày đóng vai trò quan trọng hệ thống y học Đặc biệt, bối cảnh bùng nổ bệnh ung thư, chẩn đốn hình ảnh sử dụng phương pháp phát sớm bệnh ung thư Một số phương pháp chẩn đốn hình ảnh phổ biến là: chụp X - quang, chụp cắt lớp (CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), siêu âm… Thời gian gần đây, siêu âm trở thành phương pháp áp dụng rộng rãi với ưu điểm trội thực đơn giản, giá thành rẻ, không độc hại; nhiên phương pháp tạo ảnh truyền thống B-mode tồn nhược điểm chất lượng ảnh, ảnh sau tái tạo chưa rõ nét được, ảnh hưởng đến chất lượng, gây khó khăn cho việc chẩn đốn bệnh Do đó, phương pháp tạo ảnh cắt lớp bắt đầu quan tâm đáp ứng yêu cầu chất lượng độ xác, phương pháp chưa có nhiều ứng dụng thương mại gặp số khuyết điểm phải kể đến chất lượng tốc độ tính tốn Tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngược dựa hai nguyên lý hoạt động lặp Born (Born Iterative Method - BIM) lặp vi phân Born (Distorted Born Iterative Method - DBIM), hai phương pháp cho tốt cho tạo ảnh tán xạ Trong đó, lặp vi phân Born có ưu điểm tốc độ hội tụ nhanh phương pháp tác giả lựa chọn để cải tiến Luận văn đề xuất phương pháp sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ để cải tiến phương pháp DBIM truyền thống (có thể áp dụng với BIM) giúp cho ảnh tạo có chất lượng tốt hẳn phương pháp ban đầu, với lỗi chuẩn hóa giảm thiểu đáng kể tỉ số nén tăng dần, đặc biệt tỉ số nén lớn lỗi chuẩn hóa giảm Với kết thu qua thực nghiệm mô chứng minh phương pháp đề xuất cho kết tốt, chất lượng ảnh cải thiện đáng kể sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ Xuất phát từ điều tơi chọn đề tài “Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ tạo ảnh siêu âm cắt lớp” Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu phương pháp sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ tạo ảnh siêu âm cắt lớp giúp cho chất lượng ảnh cải thiện đáng kể so với phương pháp DBIM thông thường Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Mơ hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp, mơ hình CE-DBIM 3.2 Phạm vi nghiên cứu Lĩnh vực tạo ảnh siêu âm cắt lớp ứng dụng chẩn đoán y khoa Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật trải rộng phổ tạo ảnh siêu âm cắt lớp - So sánh kỹ thuật trải rộng phổ tạo ảnh siêu âm cắt lớp với phương pháp DBIM thơng thường Phương pháp nghiên cứu - Lí thuyết kết hợp với mơ Cấu trúc khóa luận Phần 1: Mở đầu Phần 2: Nội dung - Chương 1: Tổng quan - Chương : Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ siêu âm cắt lớp - Chương 3: Kết thảo luận PHẦN : NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chẩn đốn hình ảnh Chẩn đốn hình ảnh hay chẩn đốn bệnh thơng qua hình ảnh phương pháp quan trọng giúp cho bác sĩ người bệnh hiểu rõ hình thái, chức năng, cấu tạo sinh lý thể, để từ đưa phương án phòng ngừa điều trị bệnh cách hiệu Một số phương pháp chẩn đốn hình ảnh phổ biến như: X - quang, chụp cắt lớp - CT (Computed Tomography), cộng hưởng từ - MRI (Magnetic Resonance Imaging), siêu âm (Ultrasound),… 1.1.1 Chụp ảnh cắt lớp CT từ viết tắt Computed Tomography có nghĩa “chụp ảnh lát cắt tính tốn”, CT có khả tạo hình ảnh “xun qua” thể bệnh nhân CT có tên gọi khác CAT (Computed axial tomography) Lịch sử Chụp cắt lớp vi tính (CLVT) hay gọi chụp CT scanner (CT), kỹ thuật phát minh nhà vật lý người Anh Godfrey Hounsfield bác sĩ Allan Cormack vào năm 1972 Vào năm 1979, Hounsfied Cormack nhận giải Nobel vật lý nhờ ứng dụng CT y học khoa học Máy CT đưa vào ứng dụng lâm sàng vào năm 1974-1976, lúc máy CT dùng để chụp sọ não, thời gian chụp lát cắt vài Từ năm 80 trở sau, CT ứng dụng rộng rãi lâm sàng, áp dụng cho tất phận thể, thời gian chụp nhanh chất lượng hình ảnh cao Các hệ máy CT không ngừng cải tiến, từ máy lát cắt, đến hệ máy chụp xoắn ốc (Spiral CT) đến hệ máy đa lát cắt (2, 4, 6….320, 640 lát cắt) Bằng phương pháp moment (MoM) áp suất tổng tính: ( ̅ )) ( (2.6) p suất tán xạ: ̅( ̅ ) (2.7) Hai biến chưa biết ̅ công thức (2.6) (2.7), trường hợp áp dụng xấp xỉ Born loại theo (2.6), (2.7) ta có: ̅( ) Với ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ (2.8) ( ) Ở B ma trận ma trận ứng với hệ số G0(r,r’) từ pixel tới máy thu, C ứng với hệ số G0(r,r’) pixel, I ma trận đơn vị, D(.) tốn tử chéo hóa Với phát thu, có ma trận ̅ Thấy vector chưa biết ̅ hướng có giá trị vơ giá trị với số pixel RIO Hàm mục tiêu (Object function) tính cách lặp: ̅( Với ̅ ̅ ( ) ̅( ) ) (2.9) giá trị hàm mục tiêu bước bước trước ̅ tìm quy tắc Tikhonov: ̅̅‖ Trong ả p ( ệ p [2] ̅ ̅‖ ̅‖ ‖ ) (2.10) ứ ̅ ả ậ hu : Lặp vi phân Born 1: Chọn giá trị khởi tạo ̅ 2: while( ̅ ) or( RRE <  ), { 3: Tính , , ,và ̅ tương ứng ̅ sử dụng (2.6) (2.7) 4: Tính từ giá trị 5: Tính RRE tương ứng 6: Tính giá trị ̅ sử dụng (2.9) 7: đo giá trị tiên đoán ̅ sử dụng công thức (2.11) ; } ‖ ⁄‖‖ ‖ (2.11) 2.2 Kỹ thuật trải rộng phổ Kỹ thuật trải rộng phổ ứng dụng áp dụng thành công tạo ảnh cộng hưởng từ, công trình [3] Hình 2.2 biểu thị lỗi chuẩn hóa theo tỉ số nén khơng sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ (đường màu xanh) sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ (đường màu đen) ứng dụng tạo ảnh cộng hưởng từ, ta thấy lỗi chuẩn hóa giảm thiểu đáng kể tỉ số nén tăng dần, đặc biệt tỉ số nén lớn lỗi chuẩn hóa giảm Điều cho thấy chất lượng ảnh cải thiện đáng kể sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ Hình 2.2: Tạo ảnh MRI: Lỗi chuẩn hóa theo tỉ số nén khơng sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ (đường màu xanh) sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ (đường màu đen) [3] Điểm mấu chốt phương pháp kỹ thuật siêu âm cắt lớp ma inc trận hàm sóng tới p tiền điều chế bới tín hiệu chirp tuyến tính P(x, y)  exp[i x x  wy y )] , wx , wy tốc độ tín hiệu chirp Ưu điểm (w 2 phương pháp làm cho phổ đối tượng quan tâm trải rộng hơn, nhờ ta dễ dàng q trình thu thập khơi phục ảnh Phổ tín hiệu trước điều chế (a) sau điều chế (b) [3] Tín hiệu chirp Chương trình code ma trận sóng tới kích thích tín hiệu chirp for l=transmiter pinc=besselj(0,ko*sqrt((K1(l)-pix').^2+(K2(l)-pix).^2)); PINC=[PINC ; pinc]; end; % Dieu che voi tin hieu chirp N=20; N1=400; N2=20; w=4/ (N1*N2); no=1; for j1=1:N1 for j2=1:N2 dis(j1,j2)=abs(no-j1)*abs(no-j1)+abs(no-j2)*abs(no-j2); % dis= x2 + y2 end; end PINC=PINC.*exp(j*pi*w*dis); save PINC_2D_matrix PINC CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tham số mô Tần số f = 0.5 MHz, độ tương phản âm 10%, nhiễu 0,1%, khoảng cách máy phát máy thu đến tâm đối tượng 60mm, số vòng lặp = 5, đường kính đối tượng 10 mm, số điểm chia lưới N = 20, số máy phát Np = 20, số máy thu Nt = 20 3.2 Kết mô Detector Transmiter Object 0.05 0.04 0.03 y-axis (m) 0.02 0.01 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 -0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.06 x-axis (m) 0.04 Hình 3.1 Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh Hình 3.1 thể cấu hình đo hệ thống tạo ảnh mơ phỏng, 20 máy phát, 20 máy thu bố trí vòng tròn xung quanh đối tượng Percent of the sound contrast Ideal object function 10 1 -1 -1   Hình 3.2 Hàm mục tiêu lý tưởng Hình 3.2 hàm mục tiêu lí tưởng tức u lạ mơi trường đồng cần Percent of the sound contrast khôi phục 10 1 0 -1  -1  Hình 3.3 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 10 Percent of the sound contrast 1 0 -1  -1  Percent of the sound contrast Hình 3.4 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 10 1 0 -1  -1  Hình 3.5 Ảnh khôi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp Percent of the sound contrast 10 1 0 -1 -1   Hình 3.6 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp 10 Percent of the sound contrast 1 0 -1  -1  Hình 3.7 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp DBIM sau vòng lặp Hình 3.3; 3.4; 3.5; 3.6; 3.7 kết khơi phục từ vòng lặp đến vòng lặp sử dụng phương pháp DBIM , dễ dàng thấy ảnh khôi phục từ vòng lặp sang vòng lặp hiệu rõ rệt, ảnh khôi phục cải thiện qua vòng lặp Percent of the sound contrast 10 1 -1 -1   Percent of the sound contrast Hình 3.8 Ảnh khôi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 10 1 0 -1  -1  Hình 3.9 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp Percent of the sound contrast 10 1 0 -1 -1   Hình 3.10 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp 10 Percent of the sound contrast 1 0 -1  -1  Hình 3.11 Ảnh khôi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp Percent of the sound contrast 10 1 0 -1  -1  Hình 3.12 Ảnh khơi phục sử dụng phương pháp CE-DBIM sau vòng lặp Hình 3.8; 3.9; 3.10; 3.11; 3.12 kết khôi phục ảnh sử dụng phương pháp CE-DBIM từ vòng lặp đến vòng lặp Ta thấy ảnh khôi phục cải thiện qua vòng lặp Tốc độ hội tụ ảnh vòng lặp sau tốt vòng lặp trước, qua vòng lặp 3,4,5 ta thấy rõ tương đồng ảnh khơi phục ảnh lí tưởng Rõ ràng số vòng lặp tăng chất lượng ảnh cải thiện Tuy nhiên, độ phức tạp hệ thống lại tăng Vì vậy, người ta tìm thoả hiệp số vòng lặp cần thiết ảnh khơi phục có chất lượng phù hợp 0.55 DBIM 0.5 CE-DBIM Normalized error 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 1.5 2.5 3.5 Number of iterations 4.5 Hình 3.13 So sánh lỗi chuẩn hóa phương pháp DBIM CE-DBIM Khi lỗi chuẩn hóa lớn, ảnh khơi phục ảnh lí tưởng khác nhiều, hay chất lượng khôi phục ảnh Và ngược lại, lỗi chuẩn hóa nhỏ, ảnh khơi phục với ảnh lí tưởng khác ít, hay chất lượng khơi phục ảnh tốt Hình 3.12 cho thấy số phép đo tăng dần, lỗi chuẩn hoá giảm đáng kể Điều thể chất lượng ảnh khơi phục dần cải thiện Kết cho thấy với số máy phát, số máy thu số vòng lặp, phương pháp CE-DBIM tốt so với phương pháp DBIM thông thường PHẦN : KẾT LUẬN CHUNG Luận văn thành công việc nâng cao chất lượng khôi phục ảnh siêu âm cách sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ Sử dụng phương pháp làm phổ tín hiệu ma trận sóng tới trải rộng nên ta dễ dàng thu thập khôi phục ảnh Đồng thời sử dụng phương pháp CE – DBIM, sau vòng lặp lỗi chuẩn hóa giảm 75% so với phương pháp DBIM thông thường Kết cho thấy số máy phát, số máy thu số vòng lặp, phương pháp CE – DBIM tốt so với phương pháp DBIM thông thường Bước đề xuất việc thử nghiệm đề xuất tạo ảnh với liệu thực tế để áp dụng theo thời gian thực y tế TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tài liệu tiếng Việt Vũ Hồng Tuấn Hiệp, 2016 “Khơi phục ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng DBIM hỗ trợ định ngưỡng” Trần Thanh Huyền, 2016 “Xây dựng mơ hình mơ hệ thống tạo ảnh siêu âm cắt lớp” * Tài liệu tiếng Anh Tran, Duc-Tan, et al "Spread spectrum in chaotic compressed sensing with application to MRI." Advanced Technologies for Communications (ATC), 2011 International Conference on IEEE, 2011 Roozbeh Arshadi, Alfred C.H Yu, and Richard S.C Cobbold, 2007 “CODED EXCITATION METHODS FOR ULTRASOUND HARMONIC IMAGING” * Tài liệu Internet http://www.benhhoc.com/bai/2424-Nguyen-ly-co-ban-ve-sieu-amchan-doan.html http://choyte.com/sieu-am-la-gi-tong-quan-ve-nguyen-ly-hoat-dongva-cau-tao-may-sieu-am-2024.htm https://cdha2013.wordpress.com/2013/07/30/nguyen-ly-chup-conghuong-tu/ http://chandoanhinhanh.info/vai-tro-cua-ky-thuat-sieu-am-trong-chandoan-hinh-anh-y-hoc 35 ... hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp, mơ hình CE-DBIM 3.2 Phạm vi nghiên cứu Lĩnh vực tạo ảnh siêu âm cắt lớp ứng dụng chẩn đoán y khoa Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật trải rộng phổ tạo ảnh siêu. .. chứng minh phương pháp đề xuất cho kết tốt, chất lượng ảnh cải thiện đáng kể sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ Xuất phát từ điều tơi chọn đề tài Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ tạo ảnh siêu âm cắt. .. tốt để khôi phục ảnh siêu âm 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG SIÊU ÂM CẮT LỚP 2.1 Lặp vi phân born (DBIM) Hình 2.1 sơ đồ cấu hình thu phát hệ chụp siêu âm cắt lớp h Cấu hình hệ