Tháng 04, 2019
Thứ ba
Chủ Nhật, ngày 20/09/2015 11:00 AM (GMT+7)

Chuyển đổi ảnh chụp tim thành mô hình ba chiều

Hệ thống này có thể chuyển đổi những bức ảnh quét với công nghệ MRI thành những bức ảnh 3 chiều hoặc những mô hình chất dẻo của quả tim chỉ trong vài giờ.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology – MIT) kết hợp cùng Bệnh viện nhi Boston (Boston Children’s Hospital) đã phát triển một hệ thống có thể chụp cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging – MRI) trên những bệnh nhân bị mắc bệnh tim, và trong vòng khoảng vài giờ, chuyển đổi những hình ảnh chụp được này thành những mô hình chất dẻo 3 chiều, hỗ trợ các bác sĩ trong việc lên kế hoạch phẫu thuật.

Mô hình chất dẻo này sẽ cung cấp một phương pháp mang tính trực giác nhiều hơn cho các bác sĩ trong việc đánh giá và chuẩn bị cách phẫu thuật thích hợp riêng cho từng tính chất cơ thể đặc thù của mỗi bệnh nhân.

 “Những bệnh nhân đóng vai trò cộng tác trong cuộc nghiên cứu đã hoàn toàn bị thuyết phục vì sự khác biệt của phương pháp này rất rõ rệt,” theo lời của Polina Golland, Giáo sư trong lĩnh vực Kĩ thuật điện và Khoa học máy tính tại Viện MIT, người dẫn đầu công trình nghiên cứu. “Những câu mà gần đây tôi hay được nghe là “các bác sĩ phẫu thuật đang nhìn nhận thông qua đôi bàn tay”, “nhận thức tồn tại qua xúc giác” [Thể hiện rằng các bác sĩ phẫu thuật phải sờ vào mô hình quả tim 3 chiều bằng nhựa dẻo của bệnh nhân để biết được các khiếm khuyết bệnh tật]

Vào mùa thu này, 7 trường hợp phẫu thuật tim ở Bệnh viện nhi Boston sẽ tham gia vào cuộc nghiên cứu nhằm mục đích tăng cường lợi ích và sự sử dụng thành thạo các mô hình tim bằng nhựa dẻo tạo ra bằng phương pháp kể trên.

Những dữ liệu từ ảnh quét bằng công nghệ chụp cộng hưởng từ (MRI) bao gồm một loạt những mặt cắt chéo của một vật thể ba chiều. Giống như một bức ảnh trắng đen, mỗi mặt cắt chéo sẽ có một vùng sáng và một vùng tối. Và ranh giới giữa hai vùng này giúp chỉ ra những hình dạng đường biên của các bộ phận cơ thể. Nhưng ở một số bộ phận cơ thể thì việc chụp MRI lại không có hiệu quả rõ rệt.

Việc xác định những đường biên giữa những vật thể khác nhau trong một tấm ảnh là một trong những vấn đề cốt lõi cần được xử lý khi quan sát những ảnh chụp bằng công nghệ MRI do máy tính tạo ra. Việc xác định những đường biên này được gọi là “phân cụm ảnh” (image segmentation). Nhưng thuật toán “phân cụm ảnh” hiện nay vẫn chưa đủ mức độ đáng tin cậy để tạo ra những mô hình chính xác nhằm đáp ứng được yêu cầu của các kế hoạch phẫu thuật. 

Chuyển đổi ảnh chụp tim thành mô hình ba chiều - 1

Chuyển đổi ảnh chụp tim thành mô hình ba chiều - 2

Hệ thống mới là kết quả của cuộc nghiên cứu chung giữa những nhà nghiên cứu thuộc Viện MIT và Bệnh viện nhi Boston làm biến đổi những tấm ảnh quét bằng công nghệ MRI thành những mô hình quả tim 3 chiều. Nguồn: Bryce Vickmark

Yếu tố con người

Việc tạo ra những thuật toán “phân cụm ảnh” manh tính chính xác cao hơn chính là nhằm làm rõ bộ phận cần nghiên cứu so với những bộ phận có tính chất tương tự khác nằm xung quanh. Ví dụ như tim người, có tâm thất và các mạch máu nằm gần như cùng một nơi và có mối tương quan mật thiết với nhau. Tính thống nhất trong kết cấu của các bộ phận cơ thể sẽ khiến cho thuật toán “phân cụm ảnh” có thể loại bỏ những kết luận không chắc chắn về đường biên của các bộ phận này.

Nhưng khi sử dụng thuật toán “phân cụm ảnh”, một số vấn đề khác có thể nảy sinh. Nhiều bệnh nhân tim ở Bệnh viện nhi Boston cần được phẫu thuật một cách cực kì tỉ mỉ và chính xác vì cấu tạo tim ở những bệnh nhân này có những sự khác biệt lớn so với các quả tim thông thường. Những ảnh chụp cộng hưởng từ trên các bộ phận có tính chất tương tự nhau sẽ cho ra kết luận khá mờ mịt và điều này sẽ gây ra những sai lầm chết người khi phẫu thuật.

Lúc trước, các nhà nghiên cứu tạo ra những mô hình tim bằng cách vẽ lại bằng tay những đường biên của các bộ phận cơ thể trên các ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI). Nhưng với số lượng 200 ảnh chụp hoặc bề mặt cắt trong một lần quét bằng máy Moghari có độ chính xác cao thì tiến trình tạo ra mô hình tim phải mất từ 8-10 giờ.

“Các bác sĩ cần phải đem một đứa trẻ vào chụp ảnh cộng hưởng từ và mất gần một hoặc hai ngày chỉ để lên kế hoạch họ thật sự cần phải tiến hành phẫu thuật như thế nào,” Golland nói. “Nếu càng mất thêm một ngày chỉ để nghiên cứu những bức ảnh thì tính mạng những bệnh nhân càng thêm nguy kịch”.

Giải pháp của Pace và Golland là hỏi ý kiến của các chuyên gia nhằm nhận dạng sơ lược những đường biên của các bộ phận chỉ trong một vài bức ảnh chụp cắt lớp và sử dụng thuật toán để làm tiếp phần việc còn lại. Kết quả tốt nhất đạt được bằng phương pháp này xảy ra khi cho các chuyên gia phân cụm trước 1/9 tổng diện tích toàn thể của mỗi bề mặt cắt.

Trong trường hợp này, việc phân cụm trước 14 vùng ảnh chụp và cho phép thuật toán suy ra kết quả dựa trên 90% lượng ảnh còn lại nhằm đưa đến kết quả cuối cùng. Và kết quả này phải phù hợp với kết luận chung của các chuyên gia trên toàn bộ 200 bề mặt ảnh chụp. Khi đó, kết quả phân cụm ảnh do con người suy luận sẽ chiếm đến 80% tỉ lệ kết luận cuối cùng. [20% còn lại là thuật toán máy tính].

“Nếu ai đó nói với tôi rằng tôi có thế phân cụm toàn bộ hình ảnh của một quả tim dựa vào 8 ảnh chụp trên tổng số 200 bức ảnh, thì tôi sẽ không tin họ,” Golland nói. “Nếu ai làm được một điều như vậy thì đó là sự ngạc nhiên lớn đối với chúng tôi”. Hiện nay, sự kết hợp của suy luận phân cụm ảnh quyết định bởi các chuyên gia dựa trên các mẫu ảnh cắt cùng với sự tiến bộ trong thuật toán kĩ thuật số, thì việc tạo ra những mô hình tim 3 chiều trên máy tính chỉ mất khoảng một giờ. Còn quá trình in ra những mô hình dẻo ba chiều thì sẽ phải mất vài giờ hơn.

Dự báo

Hiện nay, thuận toán sẽ kiểm tra những vùng chưa được phân cụm trên những bức ảnh chụp cắt lớp và tìm kiếm những nét tương đồng trên những bức ảnh chụp cắt lớp gần nhất. Nhưng Golland tin rằng hiệu suất của quá trình này có thể được cải thiện nếu thuật toán kiểm tra cách khoảng vài vùng cắt lớp. Phương pháp này và nhiều biến thể của thuật toán đang là chủ đề của nhiều nghiên cứu đang diễn ra.

Nghiên cứu lâm sàng trong mùa thu này có sự tham gia của 10 bệnh nhân từng áp dụng phương pháp chụp cộng hưởng từ MRIs, và đã được điều trị ở Bệnh viện nhi Boston. Dữ liệu từ 7 ca phẫu thuật tim trước sẽ được chuyển tiếp cho toàn bộ 10 bệnh nhân này. Dự liệu sẽ bao gồm các ảnh chụp MRI chưa qua xử lí, những mô hình nhựa dẻo hoặc các mô hình 3 chiều trên máy tính, các kết luận dựa trên suy luận phân cụm ảnh của bởi cả chuyên gia và thuật toán.

“Thật sự những mô hình ba chiều đã có những sự đóng góp và giúp đỡ rất lớn,” theo lời của Sitaram Emani, một bác sị phẫu thuật tim ở Bệnh viện nhi Boston. “Chúng tôi đã sử dụng phương pháp này ở một vài bệnh nhân. Và bên cạnh đó là hỗ trợ trong các “ca thực tập phẫu thuật ảo” nhằm tạo cảm giác như môi trường thực. Phương pháp này thật sự có ích trong các ca phẫu thuật bằng cách làm giảm thời gian xét nghiệm kiểm tra và thực hiện những công việc sửa chữa”

Phan Thanh

Tin đọc nhiều

KHCN tuần qua: Phát hiện loài cây rừng ở Việt Nam kháng được bốn dòng ung thư Cây thìa là hóa gỗ tìm thấy ở Hà Giang, có hoạt tính sinh...
Chuyện làm xe đa năng tự “nuốt” rác của nhóm học sinh mê sáng tạo Mặc dù nhóm gồm 1 chàng trai và 5 cô gái “chân yếu tay mềm”...
Mũ bảo hiểm thông minh 'biết' nhắc nhở khi chủ nhân lên cơn buồn ngủ Khi tài xế buồn ngủ, gật gù, mũ bảo hiểm sẽ phát ra âm thanh...
Trẻ em xử lí ô nhiễm: Xây 'lâu đài' khói, thay đồ nhựa bằng gáo dừa Đó là những ý tưởng ngộ nghĩnh nhưng cũng không kém phần...