Siêu âm là một trong những phương pháp chẩn đoán hình ảnh không xâm lấn được sử dụng rộng rãi trong y học ngày nay. Nguyên lý tạo ảnh trong siêu âm là ghi nhận những hình ảnh bình thường hoặc bất thường của một số cơ quan trong cơ thể thông qua ứng dụng cơ chế của sóng siêu âm và tái tạo lại hình ảnh bằng hệ thống máy tính hiện đại. Bài viết này sẽ trình bày sơ lược về kỹ thuật dựng ảnh từ sóng siêu âm bao gồm các bước tiền xử lý, lọc âm, trích xuất biên và chuyển thành độ xám của ảnh (ảnh đa mức xám).
Hình ảnh siêu âm được tạo ra dựa trên sự phản xạ của sóng âm khi chạm vào các cơ quan hay nội tạng của cơ thể. Việc phát và thu sóng âm cần một thiết bị chuyên dụng được gọi là đầu dò của máy siêu âm. Có nhiều loại đầu dò khác nhau với hình dạng đầu dò đa dạng (cong, thẳng, rẻ quạt,…) phù hợp với từng nhiệm vụ khác nhau (khám ổ bụng, sản phụ khoa hay khám mạch máu ngoại vi, các bộ phận nhỏ - nông,…). Tùy từng đối tượng khác nhau, tần số đầu dò cũng cần được thiết lập khác nhau.
Siêu âm cũng có nhiều loại kỹ thuật khác nhau (mode siêu âm) như:
- Siêu âm kiểu A (Ampiltude) dùng để kiểm tra độ chính xác của máy siêu âm
- Siêu âm kiểu B hay 2D thì các âm vang sẽ được chuyển thành tín hiệu trên màn hình bằng ảnh đa mức xám (giá trị điểm ảnh từ 0-255)
- Siêu âm kiểu M (TM – Time motion) dùng để khám tim với âm vang ghi lại theo kiểu A nhưng biểu diễn được theo thời gian nhờ màn hình quét ngang thường xuyên.
- Siêu âm kiểu Doppler (Động) sử dụng hiệu ứng Doppler của siêu âm để đo tốc độ tuần hoàn, xác định hướng của dòng máu và đánh giá lưu lượng máu.
- Siêu âm 3D, kỹ thuật được sử dụng khá rộng rãi trong những năm gần đây, chủ yếu ở lĩnh vực sản khoa, hình ảnh được dựng theo hình khôn gian 3 chiều.
Dù là với kỹ thuật siêu âm nào thì máy siêu âm cũng hoạt động dựa trên các bước chính sau:
Bước 1: Máy siêu âm truyền các sóng âm thanh tần số cao (từ 1-5MHz) vào cơ thể người bệnh thông qua đầu dò.
Bước 2: Sóng âm được truyền vào cơ thể va chạm vào ranh giới giữa các mô hay giữa mô với xương, giữa mô với dịch,…
Bước 3: Một số sóng âm thanh được phản xạ trở lại đầu dò trong khi những sóng khác tiếp tục truyền cho đến khi gặp các ranh giới giữa các mô khác. Trong quá trình truyền, sóng âm sẽ giảm dần năng lượng.
Bước 4: Các sóng âm thanh phản xạ lại được đầu dò thu nhận, chuyển thành dòng điện và chuyển tiếp đến bộ xử lý trung tâm (CPU).
Bước 5: Tại CPU, máy tính sẽ tính khoảng cách từ đầu dò đến mô hoặc các cơ quan thông qua tốc độ âm thanh trong mô (khoảng 1540 m/s) và thời gian nhận lại sóng phản xạ (thông thường khoảng một phần triệu của giây).
Bước 6: Máy hiển thị khoảng cách và cường độ của sóng phản xạ trên màn hình dưới dạng hình ảnh 2 chiều hay 3 chiều, đen trắng hoặc màu tùy vào loại máy siêu âm.
Tại các bước 5 và 6 sẽ đóng vai trò chuyển các giá trị đo tốc độ truyền và phản xạ siêu âm cùng với cường độ của siêu âm thành hình ảnh hiển thị trên màn hình máy siêu âm giúp cho bác sĩ và bệnh nhân có thể quan sát trực quan kết quả của quá trình siêu âm.
Quá trình máy tính thực hiện bước 5 và bước 6 sẽ bao gồm các bước trong kỹ thuật dựng ảnh từ sóng siêu âm từ tiền xử lý dữ liệu đo đạc đến chuẩn hóa lại dữ liệu và tính toán chuyển đổi giá trị sang giá trị điểm ảnh (0-255 với ảnh đa mức xám).
* Các bước trong kỹ thuật dựng ảnh từ sóng siêu âm
Thông thường, các dữ liệu về tốc độ truyền và phản xạ sóng siêu âm cũng như cường độ sóng siêu âm thu nhận được từ đầu dò sẽ có kèm theo các nhiễu sóng đến từ nhiều yếu tố như môi trường tiếp xúc giữa đầu dò và da chưa tốt hoặc do suy giảm chùm sóng siêu âm,… khiến cho việc đọc kết quả siêu âm khó khăn, dễ nhầm lẫn. Một trong các bước quan trọng của kỹ thuật dựng ảnh từ sóng siêu âm chính là bước tiền xử lý dữ liệu nhận được.
Tại bước tiền xử lý, các tín hiệu âm vang quá yếu hoặc những âm vang quá mạnh, trên một ngưỡng quy định nào đó sẽ bị loại trừ đi, nhờ vậy hình ảnh thu được sẽ đều và mịn hơn. Trong kỹ thuật Doppler, nếu xảy ra hiện tượng aliasing (đỉnh phổ Doppler bị cắt cụt và được ghi sang phía đối diện của đường 0) thì có thể sử dụng biện pháp chuyển đường 0 xuống thấp, bỏ các tần số âm để làm tăng thêm các tần số dương trên đường 0,…
Sau khi đã tiền xử lý tín hiệu nhận được, kết quả có thể được thể hiện lại dưới dạng âm thanh, đường ghi hoặc phổ. Để chuyển tín hiệu sóng siêu âm thành hình ảnh, thì kết quả cần được biểu diễn dưới dạng phổ. Phổ Doppler là kết quả của sự phân tích tín hiệu Doppler bằng phép biến đổi nhanh của Fourier (Fasst Fouriser Transform – FFT). Phép biến đổi FFT sẽ giúp loại bỏ đi các giá trị âm, giữ lại các giá trị không âm nằm trên đường 0 được biểu diễn là các đường màu xanh trong hình 1.
    |
 |
| Hình 1. Các bước dựng ảnh từ sóng siêu âm |
Từ bảng dữ liệu biểu diễn các giá trị không âm thu nhận được sau phép biểu đổi FFT, việc tiếp theo bộ xử lý trung tâm của máy siêu âm sẽ tiến hành tính toán, chuẩn hóa các giá trị này đưa về các giá trị nguyên có giá trị từ 0-255 tương ứng với giá trị điểm ảnh của ảnh đa mức xám. Việc còn lại của quá trình là sử dụng các hàm hiển thị đã được tích hợp sẵn trong máy siêu âm giúp hiển thị lại các giá trị 0-255 thành ảnh đa mức xám trên màn hình.
* Ứng dụng và kết luận
Dựa trên kết quả hình ảnh được hiển thị trên màn hình máy siêu âm, bác sĩ có thể khảo sát các bộ phận, cơ quan bằng cách siêu âm ổ bụng tổng quát, sản phụ khoa, tim mạch, thận, tiết niệu hoặc tiền liệt tuyến, siêu âm tuyến giáp, tuyến vú, siêu âm cơ xương khớp hoặc tinh hoàn,… Kết quả hình ảnh cũng hỗ trợ bác sĩ chẩn đoán bệnh lý trong các bộ phận, cơ quan đó khi quan sát thấy các bất thường.
Với sự phát triển mạnh mẽ của trí tuệ nhân tạo, thị giác máy tính, ngày nay, kết quả hình ảnh thu nhận được từ sóng siêu âm còn trở thành đầu vào cho các bài toán nhận dạng tổn thương, nhận dạng khối u hay huyết khối, giúp cho máy siêu âm hỗ trợ tốt hơn trong việc thăm khám và chẩn đoán bệnh nhanh hơn. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục phát triển các kỹ thuật, mô hình học máy để có thể tận dụng tốt hơn dữ liệu có được từ siêu âm để giúp cho ngành y tế ngày càng có nhiều thành tựu hơn.
Phạm Thị Lan Anh, CNTT