Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán ung thư bằng thiết bị quang phổ laser

Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐOÁN UNG THƯ BẰNG THIẾT BỊ QUANG PHỔ LASER BÙI TRUNG DŨNG Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học CHUYấN NGNH: NGNH O LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hµ Néi - 2005 Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐOÁN UNG THƯ BẰNG THIẾT BỊ QUANG PHỔ LASER BÙI TRUNG DNG Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học CHUYấN NGNH: NGNH ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS PHẠM THƯƠNG HÀN Hµ Néi - 2005 Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo hớng dẫn PGS.TS Phạm Thợng Hàn, ngời đà tận tình hớng dẫn bảo vần đề khoa học để hoàn thành luận văn Tôi chân thành cảm ơn đồng nghiệp KS Nguyễn Quang Minh, Tiến sỹ Quản Hoàng Lâm ngời đà cung cấp tài liệu, thiết bị để thực hoàn thành luận văn Tôi chân thành cảm ơn đông nghiệp thuộc phòng công nghệ mô Viện UDCN, đồng nghiệp Ban Đo lờng Tổng cục TC-ĐL- CL đà tạo điều kiện cho thời gian học tập hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2005 Trang Mục lục Trang Đặt vấn đề PhÇn I: nghiên cứu lý thuyếtError! Bookmark not defined Chơng 20 Tổng quan Phơng pháp chẩn đoán ung th 20 1.1 Sơ lợc Phơng pháp chẩn đoán ung th cận lâm sàng 20 1.2 Phơng pháp chẩn đoán đợc nghiên cứu luận văn 26 1.3 Đối tọng phạm vi nghiên cứu luận văn 27 Chơng Error! Bookmark not defined nghiªn cøu Tỉng quan vỊ Khèi u ung th− phỉiError! Bookmark not defined 2.1 Kh¸i niƯm vỊ khèi u Error! Bookmark not defined 2.2 Đặc tính u ¸c tÝnh Error! Bookmark not defined 2.3 Sinh häc cđa sù ph¸t triĨn u Error! Bookmark not defined 2.4 C¸c thĨ u ung th− phỉi thờng gặp Error! Bookmark not defined Chơng 28 Cơ sở lý thuyết chẩn đoán ung th b»ng Laser 28 2.1 Sù ph¸t hnh quang cđa mô ung th bị kích thích Laser 28 2.1.1 Huỳnh quang thuốc nhạy quang Photofrinđ 28 2.1.2.Cơ chế hấp thụ thuốc nhạy quang mô tế bào 29 2.1.3.Thời gian bán huỷ chất nhạy quang 32 Phần II: Thùc hµnh 35 Ch−¬ng 36 Xây dựng Algorithm đánh giá phổ 36 4.1 Xây dựng Algorithm chẩn đoán 36 4.2 C¸c thuËt toán sử dụng để đánh giá phổ 40 4.3 TÝnh diƯn tÝch h×nh bao bëi ®−êng cong phỉ 45 Ch−¬ng 48 Thực nghiệm đánh giá phổ huỳnh quangError! Bookmark not defined 5.1 Mở đầu 48 5.2.Thùc nghiÖm 49 5.3 Xư lý sè liƯu 54 5.4KÕt luËn 62 Trang KÕt luËn 63 Luận văn đà nghiên cứu hoàn thành số nội dung 63 2.Những hạn chế đề tài 63 3.H−íng nghiªn cøu thêi gian tíi 64 Tài liệu tham khảo 65 TiÕng ViÖt 65 TiÕng n−íc ngoµi 65 Phô lôc chơng trình 67 Trang Đặt vấn đề Ung th bệnh nan y xà hội loài ngời Hàng năm, Việt nam có từ 50.000 70.000 ngời chết ung th Nhờ phát triển y học đại, liệu pháp chuẩn đoán điều trị ung th có nhiều tiến đáng kể.Tuy nhiên tỷ lệ ung th tái phát, di cao.Các thống kê y học cho thấy phát ung th sớm, hiệu điều trị ung th da đạt tới 70 %-80% tỉ lệ di thấp Bởi vậy, song song với nghiên cứu tìm liệu pháp điều trị ung th mới, nhà khoa học tập trung nghiên cứu phơng pháp chẩn đoán ung th có hiệu cao Một phơng pháp chẩn đoán ung th dựa phân tích xử lý phổ huỳnh quang mô tế bào bị Laser kích thích theo phơng pháp Quang động học (gọi tắt phơng pháp chẩn đoán ung th Laser) Phơng pháp phận liệu pháp Quang động học đợc Dougherty TJ ứng dụng lần Mỹ vào năm 1978 Chẩn đoán ung th Laser thuộc trờng phái chẩn đoán quang phổ học hớng nghiên cứu Yhọc năm gần Phơng pháp chủ yếu dựa hình ảnh huỳnh quang đồ thị phổ mô bị kích thích Laser nguồn UV Uu điểm phơng pháp chẩn đoán đo không tiếp xúc không tác động lên đối tợng nghiên cứu Đây yêu cầu quan trọng thăm khám điều trị ung th Bên cạnh nhu cầu hệ chẩn đoán điều trị ung th cấp thiết Bëi c¸c xÐt nghiƯm ung th− tèn nhiỊu thêi gian cho kết Trong với chẩn đoán ung th thiết bị Laser cần vài phút có kết nhanh chóng thuận tiện Vì lý tiến hành nghiên cứu đề tài Nghiên cứu phơng pháp chẩn đoán ung th Laser nhằm mục đích tạo đợc Algorithm tự động đánh giá phổ huỳnh quang tạo tiền đề xây Trang dng phần mềm chẩn đoán ung th trợ giúp bác sỹ chẩn đoán điều trị ung th Cấu trúc luận văn gồm chơng chia thành phần : + Phần I : Nghiên cứu lý thuyết gồm chơng - Chơng 1: Nghiên cứu tổng quan phơng pháp chẩn đoán ung th trình bày tóm tắt phơng pháp chẩn đoán cận lâm sàng nh : chụp X- quang, miễn dịch học - Chơng 2: trình bày đại cơng khối u ung th, phân loại, loại ung th phổi - Chơng 3: trình bày sở lý thuyết phơng pháp chẩn đoán ung th Laser + Phần II: Thực hành bao gồm - Chơng 4: Xây dựng Algorithm chẩn đoán, giải thích thuật toán làm trơn đờng cong, tính diện tích - Chơng 5: Thực nghiệm đánh giá phổ số liệu thu đợc từ thiết bị quang phổ Laser mô hinh thực nghiệm ung th chuột bệnh nhân u biểu mô tế bào đáy vành tai Trang Phần I: Các nghiên cứu lý thuyết Trang Chơng nghiên cứu Tổng quan Khối u ung th Bệnh ung th gì? Ung th tên chung dùng để gọi nhóm bệnh 200 loại khác nguồn gốc tế bào, nguyên, tiên lượng cách thức điều trị Nhưng bệnh có đặc điểm chung có phân chia khơng kiểm sốt tế bào, khả tồn phát triển quan tổ chức lạ Các ung thư thường phát triển từ tế bào ban đầu phải nhiều năm có kích thước đủ lớn để cú th nhn thy c Quá trình phỏt trin t tế bào thành khối ung thư trải qua nhiều giai đoạn Thông thường, tế bào lành có tuổi thọ định tuân thủ theo quy luật chung phát triển - già - chết Các tế bào chết thay tế bào Cơ thể có chế kiểm soát quy luật cách chặt chẽ tŕi số lượng tế bào quan, tổ chức mức ổn định Bệnh ung thư bắt đầu có tế bào vượt qua chế kiểm soát thể, bắt đầu phát triển sinh sơi khơng ngừng nghỉ, h×nh thành đám tế bào có chung đặc điểm phát triển vô tổ chức, xâm lấn chèn ép vào quan tổ chức xung quanh Các tế bào ung thư có liên kết lỏng lẻo, dễ dàng bứt khỏi khối u mẹ, theo mạch máu mạch bạch huyết di cư đến tổ chức quan mới, bám lại tiếp tục sinh sôi nẩy nở (quá tr×nh gọi “di căn”) Các ung thư chèn ép di vào quan giữ chức sống thể năo, phổi, gan, thận bệnh nhân tử vong.[1] Trang 1.1 Khái niệm khối u Không có định nghĩa u hoàn toàn xác chất nguyên ung th đến cha đợc biết rõ Đó mô tả chung để khối mô bất thờng phát triển không hài hoà với mô bình thờng kế cận, tồn m·i m·i sau ®· ngõng kÝch thÝch sinh u Thuật ngữ ung th dùng để khối u ác tính Tất u lành ác tính có hai thành phần bản: 1, tế bào u tăng sinh tạo nên nhu mô u mô đệm nâng đỡ đợc hình thành từ mô liên kết huyết quản Mặc dù tế bào nhu mô thành phần tăng sinh quan trọng u định chất u, phát triển tiến triển u phụ thuộc nhiều vào mô đệm Việc cung cấp máu mô đệm liên kết cần thiết mô đệm nâng đỡ nghèo nàn, u mềm giống thịt Đôi tế bào u kích thích tạo mô đệm giàu sợi tạo keo gọi tạo xơ a.Một số khái niệm chung Biểu mô: loại mô đợc tạo thành nhóm tế bào nằm sát cung thực chức định Biểu mô có nguồn gốc nội bì ngoại bì.ví dụ: biểu mô giác mạc có nguồn gốc ngoại bì, tuyến phụ thuộc ống tiêu hoá gan, dày, ruột có nguồn gốc nội bì Tuỳ thuộc vị trí biểu mô thể biểu mô thực chức năng: - Bao phủ mặt thể (biểu bì da) - Lớp mặt tạng rỗng (dạ dày, ruột, tử cung ) khoang miƯng, mịi - HÊp thơ vµ bµi tiÕt cđa thể qua biểu mô - Bảo vệ thể chống lại va chạm học, chống bốc làm độ ẩm da - Lớp thu nhận cảm giác quan cảm giác Trang 5.3.3.Tìm quan hệ Ds Dk Với kết qủa đạt đợc phần 4.2.2b sử dụng đoạn chơng trinh ta xác định đợc đỉnh phổ bớc sóng 690nm là: I λ = 690 = 780.083 vµ: I = 690 = 343 Đại lợng chuẩn đoán Dk tÝnh theo c«ng thøc Dk = I 1λ =690 780.083 = = 2.2743 343 I λ =690 §èi víi phần diện tích nằm bên dới đờng cong (1) (2) Ta tính diện tích theo phơng pháp Monter Calor với thuật toán nh sau: Từ Algorithm tổng quát ta xây dựng thuật toán tính diện tích đờng cong nh sau: Đặt toàn đờng cong phổ hình vuông có diện tích S = b x b với số điểm nằm trục bớc sóng = 2048 giá trị Chia nhỏ hình vuông nói thành N ô vuông với kích thớc k = đơn vị Tổng số có M = 1024 x 1024 ô vuông tơng ứng với số phép thử M = Đếm số lợng ô vuông N1 nằm dới đờng f1 () đờng mẫu Giá trị f() có đợc từ bảng số liệu đo b TÝnh S1 theo c«ng thøc S1 = ∫ f ( x)dx = N1 * S M 5, LỈp lại bớc Tính S2 với số lợng ô vuông lµ N2 b S = ∫ f ( x)dx = N1 * S M Sau tÝnh to¸n ta thu đợc tỷ lệ Ds = S2/S1=2.1406 Trang58 Hình 4.7: Đồ thị phổ huỳnh quang cuả mô nghi ác tính (2) mô lành tính (1) Nh kết tính đợc tỷ lệ Dk =Peak1(680)/Peak2(680)=2.2833 Sau chơng trình tính diện tích S1 S2 viết ngôn ngữ Matblab: hàm dientich1(mau) hµm tÝnh diƯn tÝch S1; hµm dientich2(mau) lµ hµm tÝnh diện tích S2 Toàn kết đợc thực đoạn chơng trinh viết ngôn ngữ Matlab nh− sau: function S1= dientich1(mau) A=2048^2; j=1024; M=j^2; N1=0; k=2; for x=1:j for i=1:j y=k*i; if y lÇn Nh− vËy so sánh cờng độ quang phổ mô nghiên cứu với mô bình thờng đối tợng ta thu đợc kết cờng độ phổ lớn lần Theo tiêu chuẩn phân loại phổ đà trình bày chơng 1, tỷ số cho thấy đối tợng nghiên cứu đà mắc u ác tính Kết hoàn toàn phù hợp với mô hình thực nghiệm SARCOM 180 kết xét nghiệm tế bào đợc thực Bộ môn phôi Học viện quân Y 103 mà chúng đà thực thời gian qua Trang61 5.4Kết luận Trong Chơng đà trình bày số kết thực Algorithm chuẩn đoán ung th sở số liệu quang phổ huỳnh quang tổ chức tế bào nằm đối tợng sống Phơng pháp nghiên cứu cấy tế bào ung th lên đối tợng cần nghiên cứu Sau dùng thiết bị quang phổ kế để ghi lại huỳnh quang khối u mô lành tính lân cận khối u Kết đo sau đợc xử lý lọc bỏ nhiễu tính toán đề đa kết luận chuẩn đoán Bằng phơng pháp so sánh với mô hinh thực nghiệm nhận thấy kết tính toán giựa Algorithm mà đa đáng tin cậy Trang62 Kết luận Luận văn đà nghiên cứu vµ hoµn thµnh mét sè néi dung VĨ lý thut : nghiên cứu tổng quan phơng pháp chẩn đoán ung th lựa chọn phơng pháp chẩn đoán ung th− b»ng thiÕt bi ®o quang phỉ Laser ®Ĩ thực hành chẩn đoán khối u ung th - Nghiên cứu ung th thể khối u ung th phổi - Nghiên cứu phơng pháp làm trơn đồ thị đờng cong phổ SavitzkyGola, phơng pháp dùng phổ biến phân tích xử lý đờng đồ thị phổ nghiên cứu hoá sinh học - Nghiên cứu phơng pháp Monter Calor tính diện tích - Nghiên cứu đợc nguyên lý thu nhận phổ huỳnh quang thiết bị Laser Về mặt thực hành: đà có số kết định - Xâydựng đợc Algorithm chẩn đoán ung th biểu mô thể tế bào đáy có da - Thực nghiệm kiểm chứng Algorithm với số liệu thu đợc từ thực nghiệm So sánh kết rhực nghiệm với lý thuyết đạt kết tốt - Khắc phục đợc tợng nhiễu thăng giáng đờng comg phổ thiết bị Laser 2.Những hạn chế đề tài Do khó khăn điều kiện thực hành thí nghiệm nh: thuốc nhạy quang Photogem, điều kiện thực hành ngời bênhh Nên luận văn phải sử dụng lại kết nghiên cứu cũ nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Công nghệ Laser năm 1999 - Số lợng thí nghiệm có thí nghiệm nên việc đánh giá Algorithm hạn chế Trang63 - Việc xây dựng phần mềm đánh giá phổ dừng lại thuật toán chạy thử Matlab 3.Hớng nghiên cứu thời gian tới Nhằm khắc phục hạn chế đề tài : thời gian tới tiếp tục nghiên cứu áp dụng Algorithm xây dựng phần mềm chẩn đoán tự động kết nối trực tiếp với Card ®o cđa thiÕt bÞ ®o quang phỉ Laser ®Ĩ thiÕt bị trở thành hệ chẩn đoán ung th - Kết hợp với Bộ môn Phôi Học viên Quân Y 103, phòng khám Laser Bệnh viện Việt Đức thử nghiệm nhiều mẫu bệnh phẩm để xây dựng th viện mẫu phổ loại ung th khác - Nghiên cứu sử dung mạng Nơron để phân loại ung th Việc giải toán đòi hỏi nhiều công sức, tài ủng hộ nhiều đồng nghiệp Tuy nhiên nghiên cứu tìm phơng pháp chẩn đoán ung th đề đa chẩn đoán sớm bệnh ung th đấu tranh lâu dài ngời Do công việc lâu dài hứa hẹn nhiều khó khăn Trang64 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Lê Đình Roanh, 2001, Bệnh học khói u, Nhà xuất Y học Quản Hoàng Lâm, 2001,Nghiên cứu tác dụng liệu pháp quang động học biến đổi hình thái chỗ xung quanh mô ung th thực nghiệm SARCOM 180 , luận văn tiến sỹ Y học, Học viện Quân y Dơng Chạm Uyên, Kiểu Đình Hùng,2000, Nhận xét bơc đầu áp dụng quang động học điều trị u nÃo Bệnh viện Việt Đức, Tạp chí thông tin y dợc chuyên đề ung th Nguyễn Quang Minh, Tạ Văn Tuân công ,1999,Nghiên cứuứng dụng phát triển thiết bị Laser chẩn đoán điều trị ung th phơng pháp quang động học, Báo cáo đề tài KHCN cấp nhà nớc Đỗ Kin Sơn, Nguyễn Bửu Triều, Dơng Chạm Uyên,2000.Thông báo số kết bớc đầu ứng dụng Laser Y học Bênh viện Việt Đức Tập thể tác giả Bộ môn mô học phôi thai, 2004,Mô học, Nhà xuất Y học Bộ môn ung th, Bài giảng ung th học, 2001, Nhà xuất Yhọc Tiếng nớc V.B.Loschenov,V.I Konov, A.M.Prokhorov, 2000,”Photodynamic Therapy and Fluorescence Diagnostics”,Laser Physic, Vol 10, No 6, pp 1188-1207 William H Press, Saul A Teukolsky, William T Vetterling,1991,” Numerical Recipe in C: The Art of Scientific Computing “, Cambridge University Press 10 Г И Назаренко, А Б Канючевский, С Н Петров, Б М Касаткин, А.Н.Димитров,http://www.medlinks.ru/ 11 V.B Loschenov and A.A Stratonnikov, 1993,” Spectra line separation Trang65 method for sophisticated data analysis of biological tissue optical spectra”,SPIE Vol 2081 Optical Biopsy 12.Savitzky A., and Golay, M.J.E 1964, Analytical Chemistry, vol 36, pp 1627–1639 13 Jianwen Luo , Kui Ying , Ping He , Jing Bai, 2005, Digital Signal Processing 15,pp 122136 Trang66 Phụ lục chơng trình % % Ch−¬ng trinh danh gia huynh quanng cua te bµo ung th− function CT=CT clf; clc; mau=importdata ('c:\matlab6\work\norm.dat'); test3=importdata ('c:\matlab6\work\test3.dat') ; F= load('c:\matlab6\work\data\40.dat','-ASCII'); nn=length(F); h=(700-660)/(length(F)-1);% Doi ve truc toa buoc song xf=660:h:700; %subplot('position',[.1.1 80]); plot (xf,F,'b'); axis([660 700 1000]); title('Pho huynh quang cua to chuc binh thuong ','FontSize',13); xlabel ('\lambda = nm','FontSize',12); ylabel ('Relative Intensive (a.u)','FontSize',12); grid on hold on %plot(xf,mau,'k','LineWidth',3); hold off waitforbuttonpress; thamso = inputdlg({'Chieu dai bo loc(Num) :','Bac da thuc(M):'},'Thiet dat tham so loc',2,{'40','2'}); Trang67 num=str2num(char(thamso(1))); M=str2num(char(thamso(2))); [nl,nr,Y]= thamsoloc(F,nn,num,M); Wfilter=nl+nr+1; %sprintf('Kich thuoc cua so Wf=%d',Wfilter); %loc tin hieu voi cac he so nr, nl, M tinh duoc g=SG(F,nn,nl,nr,M); %g=SavGol_1(F,nl,nr,M); %xg=xf(1+nl:nn-nr); xg=xf; plot (xf,F,'b'); axis([660 700 1000]); hold on; g(1:nl)=10; g(nn-nr:nn)=0; plot(xg,g,'r','LineWidth',3); grid on title ('Pho tin hieu sau loc Savitzky-Golay','FontSize',13); xlabel ('\lambda = nm','FontSize',12); ylabel ('Relative Intensive (a.u)','FontSize',12); legend('Tin hieu co nhieu','Tin hieu sau loc',['Chieu dai cua so loc W = ',int2str(num)]); hold off waitforbuttonpress; % ve tin hieu sau loc voi tin hieu thu plot(xg,g,'r','LineWidth',3); axis([660 700 1000]); Trang68 title ('Pho tin hieu sau loc Savitzky-Golay','FontSize',13); legend('Tin hieu sau loc',['Chieu dai cua so loc W = ',int2str(num)]); grid on hold on waitforbuttonpress; axis([660 700 1000]); plot(xg,g,'r-','LineWidth',3); grid on hold on plot(xf,mau,'k','LineWidth',3); [Dk,Peak]=SS(mau,g,h); [Dk,Peak,nPeak,nPeak1,dientich,dientich1]=SS(mau,g,h); grid on hold on title ('So voi mau','FontSize',13); xlabel('\lambda = nm','FontSize',12); ylabel ('Relative Intensive (a.u)','FontSize',12); legend('Pho tin hieu duoc(S2)','Pho tin hieu mau(S1)'); S2=dt(mau); S1=dt1(g); k=(S1/S2)/4 waitforbuttonpress; legend('Pho tin hieu duoc(S2)','Pho tin hieu mau(S1)',['Ty le Ds=S2/S1=',num2str(k)],['Ty le Dk=Ifc(680)/Ifn(680)=',num2str(Peak)]); waitforbuttonpress; if(Peak>2)warndlg('Ket qua chuan doan duong tinh','Chuan doan ung thu'); hold off; end Trang69 % Savitzky-Golay Smoothing Filter function g=SG(F,nn,nl,nr,M) A=zeros(nl+nr+1,M+1); for i=-nl:nl; for j=0:M; A(i+nl+1,j+1)=i^j; end end h=zeros(M+1,1); h(1)=1; b=inv(A'*A)*h; c=zeros(nl+nr+1,1); for k=-nl:nr nm=k.^[0:M]; c(k+nl+1)=nm*b; end for i=1+nl:nn-nr, g(i) = c' * F (i-nl:i+nr); end end % ham tinh tham so boc loc function [nl,nr,Y] = thamsoloc(F,nn,num,M) for ii=32:num nl=ii; nr=ii; g=SG(F,nn,nl,nr,M); end chi_g=chig(32:num); Trang70 [Y I]=min(chi_g); nl=I+31; nr=I+31; end %Tinh dien tich function [Dk,Peak,nPeak,nPeak1,dientich,dientich1]=SS(mau,F,h) g=F; nPeak=g(680); nPeak1=mau(680); Peak=g(690)/mau(680); end function I=dt(mau) A=2048^2;%% Area of enclosing rectangle j=1024; N=j^2; %% Set the number of trials s=0; %% initialize success counter k=2; for x=1:j for i=1:j %% Begin Trials y=k*i; if y