BÀI SOẠN VỀ SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN

HIỆU CHỈNH SAI LỆCH MÔ: Giải pháp mới tăng cường chất lượng hình ảnh ở bệnh nhân béo phì

Thomas P. Gauthier, Douglas R. Maxwell, và Systems Design Engineers of Philips
www.healthcare.philips.com/pwc_hc/.../dl_tissue_whitepaper_en.pdf

Dẫn nhập

Các máy siêu âm quy ước đảm bảo tốc độ âm hằng định khi tạo hình. Điều này được chuyển cho phần cứng thực hiện rất đơn giản nhưng độ mạnh hạn chế có ảnh hưởng đến biến thiên tốc độ âm trong cơ thể. Tình trạng này càng rõ khi tạo hình ở bệnh nhân thừa cân vì siêu âm khó truyền qua lớp mỡ dưới da hơn khi qua nhu mô gan. Thách thức của siêu âm là phải xuyên thấu vào đủ sâu trong bụng để cung cấp thông tin chẩn đoán. Vấn đề này rất quan trọng trong tình hình mới, vì siêu âm trở thành phương tiện chẩn đoán hình ảnh được chọn cho các bệnh nhân không thể chụp CT/MRI (vì không đủ rộng cho bệnh nhân thừa cân).

Với thuật toán tạo chùm (beamforming) siêu âm phải đáp ứng và thích nghi với thuật toán này để khám bệnh nhân thừa cân: tăng cường chất lượng hình ảnh và khả năng xuyên thấu, và cung cấp thông tin chẩn đoán chính xác.

Tạo chùm (Beamforming) là gì?

Trong siêu âm xung có 2 loại chùm:

- Chùm dẫn truyền theo một xung âm truyền theo một đường quét được cho. Nói khác đi nó trình bày một phần cơ thể được siêu âm thắp sáng, rồi phản âm trở lại tới đầu dò để xử lý và biểu hiện thành một hình (H.1).

H. 1. Tín hiệu chỉnh nét và quét để tạo chùm (“beams”)

- Chùm nhận là một vùng nguồn do nhiều điểm tạo thành được kết hợp với đường được cho của hình siêu âm. Chùm nhận càng rộng, độ ly giải bên (lateral resolution) của hình siêu âm càng giảm. Cũng vậy chùm nhận rộng hơn gây nên vết dội tạp (clutter) khắp nơi trong hình siêu âm.

Chỉnh nét động chùm nhận (dynamic receive focusing)

Mục tiêu của chỉnh nét động tối hảo trong bộ phận tạo chùm không thích nghi (non-adaptive beamformer) là ước lượng sự trì hoãn (delay) tốt nhất của biến tử (yếu tố đầu dò) một cách tiên nghiệm (a priori) liên quan với một đường quét điểm tham chiếu (một vị trí khởi động ảo, thường ở trên bề mặt đầu dò), và rồi thực hiện sự trì hoãn này trong bộ phận nhận (receiver). Mỗi biến tử có một delay khác nhau theo một hàm (function) của điểm khu trú trong không gian cách xa điểm tham chiếu. Trong việc thực hiện chỉnh nét động, sự trì hoãn là hàm của thời gian nhận hoặc thời khoảng (range). Phần lớn các công nghiệp siêu âm biết dùng “chính xác” hoặc “xấp xỉ” các phương trình hình học để tính toán các trì hoãn thời gian cần thiết theo hàm của thời khoảng. Những phương trình này chỉ cần biết vị trí điển hình của điểm khu trú trong không gian theo đường quét mong muốn và vị trí của biến tử và tham chiếu (theo lộ trình tốc độ âm) như minh họa dưới đây.

H. 2. Chỉnh nét động đơn giản hóa (Simplified Dynamic Focus Geometry)

Lợi ích của phương pháp này là có thể thiết kế dễ dàng phần cứng của bộ phận nhận mà không cần tốn chỗ nhiều để xác định đường biểu diễn độ trì hoãn theo mỗi đường quét của mỗi biến tử. Bất lợi là khó đánh giá biến thiên tốc độ âm giữa nguồn tán xạ và biến tử đầu dò.

Hãng Philips biến đổi thuật toán beamforming để tạo hình bệnh nhân thừa cân tốt hơn như thế nào?

Như trong phần dẫn nhập, máy siêu âm quy ước đảm bảo một tốc độ âm hằng định khi tạo hình. Tuy nhiên cơ thể người không thể tạo mẫu như là môi trường đồng dạng (homogenous medium) với tốc độ âm là 1540m/s. Có nghĩa là mỗi máy siêu âm cần một giá trị tốc độ âm vì input không được vận hành chính xác bởi máy. Hoạt động beamforming đặc biệt chịu ảnh hưởng của sai lệch tốc độ âm. Trong thực hành, mô phỏng giá trị sai của tốc độ âm sẽ chuyển thành biến dạng dẫn truyền, biến dạng chùm nhận và rồi làm giảm chất lượng hình và giảm xuyên thấu.

Hãng Philips tạo hình bệnh nhân thừa cân với cốt lỏi là làm cho máy siêu âm nhận biết nhiều hơn đặc điểm môi trường được tạo hình và đặc biệt, sự tăng giảm tốc độ âm của máy theo độ sâu. Thay vì bảo đảm một tốc độ âm độc nhất và cố định xuyên suốt môi trường tạo hình, máy sẽ mô phỏng môi trường (medium) theo phân lớp, mỗi lớp với một giá trị tốc độ âm khác nhau. Khi tạo hình bụng bệnh nhân thừa cân, bụng được định dạng thành 2 lớp (H.3).

H.3. Lớp mỡ (Fat Layer Geometry)

Giá trị tốc độ âm trong lớp mỡ nông, dựa theo y văn, được cài đặt là 1450m/s. Nhu mô gan thuộc lớp sâu, tốc độ âm là 1540m/s. Đó chính là nguyên lý đổi mới của hãng Philips: áp dụng thuật toán non-adaptive beamforming, bởi vậy càng mạnh hơn với bệnh nhân thừa cân này sang bệnh nhân thừa cân khác, và càng ít lệ thuộc người khám. Không cần điều chỉnh giá trị tốc độ âm theo bề dày lớp mỡ. Điều này làm đơn giản hóa kinh nghiệm người khám. Trong lúc khám người sử dụng nhìn qua bệnh nhân rồi quyết định lúc nào sử dụng khả năng hiệu chỉnh sai lệch mô. Nếu chọn thì hiệu chỉnh tốc độ âm sẽ làm tăng chất lượng hình trên bệnh nhân thừa cân mà không phải vặn nút điều chỉnh.

Thực hiện chỉnh nét động này dựa trên trình tự đánh giá thích ứng tốt nhất từng phần (best-fit segments to approximate the desired estimator). Tùy vào thuật toán, có thể cần thêm bộ nhớ đủ để tái tạo đánh giá đường biểu diễn trì hoãn nhưng mềm dẻo trong đánh giá những thay đổi trì hoãn do phản hồi của các lớp tác động.

Nguyên lý Fermat- lan truyền qua lớp trung gian

Các mẫu chỉnh nét dùng nguyên lý Fermat để đánh giá thời gian truyền từ biến tử đầu dò đến một điểm khu trú. Trong quang học, nguyên lý Fermat (còn gọi là nguyên lý thời gian tối thiểu) phát biểu rằng, giữa 2 điểm một tia sáng luôn truyền theo đường ngắn nhất. Nguyên lý này có thể ứng dụng vào lãnh vực siêu âm và diễn đạt thời gian lý thuyết (bay) giữa biến tử đầu dò và một điểm khu trú.

Kết quả lâm sàng

Một vài ví dụ lâm sàng đáng giá của giải pháp beamforming trong tạo hình bụng bệnh nhân thừa cân. Trong hình 4, đường viền vách mạch máu được tăng cường cũng như giảm vết dội tạp (clutter). Hình 5, cũng cho thấy đường viền mạch máu rõ hơn và kiểm soát được mức độ của vết dội tạp khi lớp mỡ được thuật toán beamforming giải quyết.

H. 4a. Trước hiệu chỉnh H. 4b. Sau hiệu chỉnh.

H. 5a. Không hiệu chỉnh H. 5b. Có hiệu chỉnh

Trong hình 6, hiệu chỉnh tốc độ âm giúp tạo hình túi mật rõ hơn. Điều này đặc biệt quan trọng khi tìm sỏi túi mật. Hình 7 được so sánh với hình trước, cho thấy hiệu chỉnh tốc độ âm ở bụng bệnh nhân thừa cân mà không cần chỉnh bề dày lớp mỡ và do đó đơn giản hóa kinh nghiệm của người khám.

H. 6. So sánh hình túi mật

H. 7. Hiệu chỉnh tương tự với bề dày lớp "sai"

Kết luận

Béo phì là nguyên nhân làm siêu âm thất bại khi cung cấp thông tin chẩn đoán. Nguyên nhân chính của giảm chất lượng hình là do mô phỏng tốc độ âm không chính xác ở người có lớp mỡ quá dày. Thực hiện hiệu chỉnh sai lệch mô làm tăng cường chất lượng hình ở người béo phì khó khám. Không có thuật toán hiệu chỉnh mô sẽ khó phân biệt giữa các mô khám và hình sẽ không rõ nét. Tích hợp các đặc điểm then chốt này chỉ trong một nút bấm làm đơn giản cuộc khám và chắc chắn làm giảm đi số lần khám thất bại ở bệnh nhân béo phì.

HIỆU CHỈNH TỐC ĐỘ ÂM (SSC)

Từ Practical Aberration Correction Methods,

Glen W.McLaughlin,David Napolitano,Ching-Hua Chou.
www.sonotech.ch/_pdf/wfumb_poster.pdf

Máy siêu âm theo truyền thống đảm bảo một vận tốc âm không đổi là 1540 m/s. Nhưng vận tốc cố định của âm truyền trong cơ thể làm cho hình mất nét và làm tăng vệt dội tạp (clutter) ở nhiều bệnh nhân. Nghiên cứu này nhằm tìm một phương pháp đánh giá tốc độ âm của cơ thể nhằm tạo ra cách hiệu chỉnh ưu tiên (first order correction). Dữ liệu kênh được thực hiện nhiều lần nhằm tạo ra nhiều hình ảnh với các tốc độ khác nhau . Tích hợp năng lượng phổ bên (lateral spectral energy) của các hình ảnh được dùng khi có một hình đủ đánh giá được phần lớn tốc độ. Vì sai lệch vận tốc âm được tích lũy nên kết quả của việc hiệu chỉnh gây ấn tượng ở độ sâu nhiều nhất. Độ ly giải chi tiết của của hình ở sâu được cải thiện, các vệt dội tạp giảm đi toàn bộ và độ tin cậy của chẩn đoán được tăng cường.

I. Dẫn nhập:

Tốc độ không đồng nhất trong cơ thể gây ra sai lệch khi tạo hình siêu âm và dẫn đến hình mất nét (defocusing). Điều này làm giảm signal-to-noise-ratio (SNR), tăng vệt dội tạp (clutter), giảm ly giải bên (lateral resolution) và giảm contrast (tương phản). Hiệu chỉnh sai lệch từ điểm này sang điểm khác không chỉ tính toán cường độ, mà còn cần đầu dò dãy biến tử 2-D (2-D transducer arrays) và thay đổi từ khung hình này sang khung hình khác. Nghiên cứu này nhằm tìm ra một phương pháp thuật toán để đánh giá và áp dụng sự hiệu chỉnh tốc độ âm ưu tiên cho dữ liệu hình ảnh.

II. Đặc điểm mô và tốc độ âm (Tissue Properties and Sound Velocities)

Tốc độ âm biến thiên trong mô do nhiều nguyên do: loại mô, thành phần mô, tình trạng bệnh lý, hướng truyền âm, và mức độ ngậm nước (hydrat hóa). Dịch chuyển (offset) gia tăng khi mặt sóng âm lan truyền làm tốc độ âm sai lệch. Vì thế, ở độ sâu xãy ra dịch chuyển lớn nhất, nơi mà vận hành của toàn bộ máy siêu âm bị yêu cầu nhiều nhất. Ví dụ một máy siêu âm với vận tốc âm đảm bảo là 1460 m/s có khả năng sai lệch 2 chiều (2-way error) khoảng 16mm ở độ sâu 20cm làm cho chất lượng tạo hình suy giảm.

III. Tổng quan thuật toán

Hiệu chỉnh sai lệch từ điểm này sang điểm khác rất phức tạp, cần có đầu dò dãy biến tử 2-D, và không quá mạnh trong một cửa sổ âm đơn độc. Cần xác định tốc độ âm bình quân trong mô thay thế. Điều này được thực hiện với đầu dò dãy biến tử tiêu chuẩn và như kết quả trong công trình này cho thấy, cần phải mạnh trong cửa sổ âm được cho. Giản đồ khối thuật toán SSC dùng để đánh giá tốc độ âm tối hảo được trình bày trong hình trên.

Sound Speed Correction (SSC) là thuật toán hoạt động trên dữ liệu kênh tập họp lại cho toàn bộ một khung hình. Dữ liệu này được dùng vô số lần nhằm đảm bảo có nhiều tốc độ âm để thử nghiệm. Có một yếu tố chất lượng chỉnh nét hình [tụ tiêu](focus quality factor) được dùng để đánh giá tốc độ âm tối hảo.

Khối giản đồ thuật toán để xác định yếu tố chất lượng chỉnh nét hình được minh họa bên dưới.

Phổ chất lượng chỉnh nét hình được xác định bằng cách tính toán độ lớn trung bình của Biến đổi Fourier bắt chéo với khoảng mẫu (mean lateral Fourier Transform magnitude across range samples). Trong đó mỗi Biến đổi Fourier được tính cho các tốc độ thử nghiệm khác nhau. Các yếu tố chất lượng chỉnh nét hình được dùng để xác định tốc độ âm ưu tiên tối hảo (optimum first order sound speed).

Hình trên cho thấy hình siêu âm gan và thận trên người. Hình bên T ở 1540 m/s trong khi bên P được thực hiện với thuật toán SSC, với vận tốc âm tối hảo là 1480m/s. Hình SSC cho thấy rõ mạch máu và đường viền hơn. Không may là người được khám không cho phép phẫu tích và xác định thật sự tốc độ âm trên các cơ quan của ông ta.

IV. Kết luận

Bù trừ tốc độ âm ưu tiên có hiệu quả trên toàn bộ hình ảnh, ấn tượng nhất là hình ảnh ở độ sâu. SCC có khả năng tăng xuyên thấu, tăng cường độ ly giải bên, giảm vệt dội tạp, cải thiện signal-to-noise-ratio (SNR) và tăng cường tương phản (contrast), làm tăng độ tin cậy chẩn đoán và giúp chăm sóc bệnh nhân tốt hơn.

_____________________________________________

Ghi chú=
1. Tác giả thực hiện nghiên cứu này trên máy siêu âm Zonare, hiện có tại Trung tâm Y khoa Medic.
2. SNR = Signal-to-noise ratio (thường được viết tắt SNR hay S/N) được sử dụng để định lượng bao nhiêu tín hiệu đã bị hỏng bởi nhiễu ồn. Nó được định nghĩa là tỷ lệ năng lượng tín hiệu với cường độ của tín hiệu nhiễu làm hư hỏng.

BÀI SOẠN VỀ SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN

Tổng số lượt xem trang

Thứ Hai, 7 tháng 2, 2011

TISSUE ABERRATION CORRECTION

Chủ Nhật, 6 tháng 2, 2011

Sound Speed Correction (SSC)

Giới thiệu về tôi