Ứng dụng AI tái tạo cấu trúc tim nguyên khối hỗ trợ y khoa

Đề tài “Phần mềm tích hợp học sâu để phân vùng và tái tạo cấu trúc tim nguyên khối trong không gian 3D mô phỏng cho thực hành y khoa” do hai học sinh Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong (TP.HCM) – Nguyễn Lê Quốc Bảo (lớp 12CA3) và Lê Tuấn Hy (lớp 12B) – thực hiện đã xuất sắc giành giải nhất cuộc thi Khoa học kỹ thuật cấp quốc gia năm 2024, đại diện cho Việt Nam đi thi quốc tế.

Nhóm nghiên cứu trình bày đề tài tại vòng thi cấp quốc gia

Phần mềm trên hỗ trợ y bác sĩ và chuyên gia chẩn đoán hình ảnh đưa ra kết quả chẩn đoán từ hình chụp chiếu cắt lớp bằng việc tái tạo những hình ảnh 2D chuyển sang 3D. Từ hình ảnh 3D mô phỏng sẽ phục vụ cho thực hành y khoa.

Phần mềm nâng cấp qua 4 phiên bản

Có chung đam mê về lĩnh vực phần mềm hệ thống, cùng tiếp cận nhiều dự án trên thế giới, đề tài nảy sinh từ chính kiến thức mà Quốc Bảo và Tuấn Hy học được thông qua đọc báo, đọc các nghiên cứu… “Chúng em thấy các dự án trên thế giới đã đề cập nhiều đến lĩnh vực phần mềm tích hợp, còn ở Việt Nam thì chưa phổ biến, vì vậy chúng em tự hỏi mình có thể làm được gì khác biệt không. Ngoài ra, với riêng em, nỗ lực thực hiện đề tài đến từ việc ba em mới đây không may bị đột quỵ nửa thân bên phải, thường phải chụp CT não trái. Do đó, em mong đề tài này có thể hỗ trợ các y bác sĩ dễ dàng chẩn đoán, chữa trị bệnh của ba”, Quốc Bảo chia sẻ.

Phần mềm được nghiên cứu qua 4 phiên bản, qua mỗi phiên bản đều được nâng cấp để đáp ứng mong muốn thực tế của các y bác sĩ. Đầu tiên là phiên bản sơ khai mô phỏng phần mềm là một trang web giao diện màu trắng với chức năng đơn giản. Kế đó, phiên bản App sơ khởi chuyển từ web sang phần mềm chạy trên máy tính, áp dụng thuật toán U-Net để phân vùng lớp ảnh, từ đó huấn luyện mô hình AI trên bộ dữ liệu. Thứ ba là phiên bản cải tiến App hoàn thiện hơn với tên gọi Vascular, nghiên cứu không chỉ dừng ở việc ứng dụng phần mềm mà còn tích hợp môi trường thực tế ảo, liên quan nhiều hơn đến kỹ thuật. Điều này cho phép y bác sĩ có thể thực hiện các thao tác đơn giản như di chuyển trong môi trường thực tế ảo, nhìn trong môi trường này, đặc biệt là có thể thực hiện các phẫu thuật đơn giản như cầm, nắm, mổ xẻ các bộ phận của tim. Phiên bản cuối cùng là phần mềm hoàn thiện về môi trường thực tế ảo, hình ảnh 3D, cơ bản giúp cho y bác sĩ thực hiện được các thao tác phẫu thuật đơn giản, có thể tính được thể tích buồng tim trong khoảng lệch chấp nhận được; hỗ trợ cho y bác sĩ thuận lợi hơn trong công tác phân tích, hậu phân tích để đưa ra các chẩn đoán phù hợp, giải thích cho bệnh nhân về bệnh lý của mình.

Trong quá trình thực hiện, Quốc Bảo phụ trách xử lý phần mềm, còn Tuấn Hy phụ trách xử lý dữ liệu và mô hình AI. Để có dữ liệu là các hình ảnh chụp cắt lớp phục vụ nghiên cứu, nhóm đã gửi mail xin quyền truy cập từ các nghiên cứu trước đó đã thực hiện trên thế giới. Và để có được mô hình 3D trong không gian thực tế ảo, nhóm đã nghiên cứu nhiều thuật toán, thử và sai nhiều lần, từ đó mới tái tạo được mô hình 3D chi tiết đến từng mao mạch, tĩnh mạch… Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, nhóm mượn phòng tin học của trường, tranh thủ thời gian tan học mỗi ngày để thực hiện. Về nhà có những đêm không ngủ để cùng chỉnh sửa, nghiên cứu…

Thầy Đỗ Công Triết (trái) cùng nhóm thực hiện đề tài

Theo nhóm nghiên cứu, khó khăn khi thực hiện đề tài đến từ từng chặng. Ngoài kiến thức chuyên ngành còn là các thuật toán chuyên sâu, đòi hỏi phải đọc nhiều, đọc sâu. Tuy nhiên, khó khăn nhất vẫn đến từ việc cân bằng thời gian thực hiện dự án và thời gian dành cho gia đình, việc học.

Hoàn thiện phiên bản từ… một bài tích phân

Ở phiên bản nâng cấp thứ 4, nhóm nghiên cứu cho hay, phần mềm tích hợp đã được thực hiện với 3 cải tiến lớn, cho phép y bác sĩ có thể đưa các hình ảnh cắt lớp vào để quan sát, thực hiện đo đạc…, song quan trọng nhất vẫn là tái tạo 3D; qua hình ảnh 3D, y bác sĩ có thể thao tác các phẫu thuật đơn giản. “Để có cơ sở phát triển phần mềm thì phải đi từ nguyên nhân thực tế. Trong lần cải tiến thứ 4, chúng em đã trực tiếp đến một số bệnh viện như Bệnh viện Nhiệt đới TP.HCM, Bệnh viện Q.1 để quan sát, trao đổi với các y bác sĩ về phần mềm mà nhóm đã nghiên cứu. Ngoài ra, nhóm còn trao đổi trực tuyến với bác sĩ của Bệnh viện Tim TP.HCM. Từ những trao đổi thực tế, nhóm thấy rằng điều các y bác sĩ cần thêm ở phần mềm đó là hậu phân tích sau khi dựng 3D để có thể đo được thể tích buồng tim, đo đường kính động mạch vành, đo độ dày của thành cơ tim; cải thiện môi trường thực tế ảo để có thể hỗ trợ cho công tác giảng dạy y khoa. Đặc biệt là tính chính xác của kết quả dựng 3D, phân tích hậu phân tích…”, Tuấn Hy chia sẻ.

Nhìn nhận những đặt hàng của đội ngũ y bác sĩ cho đề tài là “vấn đề khá nan giải” vì phải làm sao đưa ra con số đo thật chính xác, nhóm bắt tay viết một thuật toán nghiên cứu sâu về hậu phân tích sau khi dựng 3D. Trên chiếc bảng đen trong phòng tin học nhiều dãy số được viết đầy lại xóa, rồi lại viết tiếp… “Một lần tình cờ trong giờ học toán, khi học về công thức dùng tích phân để tính thể tích, hình ảnh minh họa trong sách lại khá giống cấu trúc tim. Khi đó chúng em nảy ra gợi ý áp dụng tích phân để tính thể tích trong nghiên cứu. Từ đó nhóm tìm hiểu thêm về bộ môn giải tích đa biến (toán cao cấp đại học). Kết hợp với kiến thức về thuật toán cấu tạo 3D, nhóm đã tìm ra cách tính thể tích buồng tim một cách hoàn chỉnh trong mô hình. Cách tính này cho phép tính thể tích với một độ lệch cho phép sử dụng trong y khoa”, Quốc Bảo hào hứng kể.

Về cải tiến thuật toán học sâu, từ thuật toán U-Net ban đầu, nhóm đã nghiên cứu cải tiến với những mô hình khoanh vùng khác, liệt kê những điểm yếu, điểm mạnh của các thuật toán đó, nghiên cứu ra một thuật toán riêng cho phép thực hiện phân vùng các vùng quan trọng trong tim một cách chính xác. Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, đây mới chỉ là những thuật toán trên cơ sở lý thuyết, phải làm sao đưa những thuật toán này vào phần mềm. Do thuật toán nặng nên khi đưa vào thì phần mềm chạy chậm. Thế nhưng, thuật toán đã được tối ưu rồi, không thể chỉnh sửa được nữa. Do đó, nhóm đã chỉnh sửa cách máy tính xử lý thuật toán, bằng cách code bằng ngôn ngữ khác, giúp phần mềm chạy ổn định. “Sau khi thực hiện các cải tiến lần thứ 4 của phần mềm, nhóm đã tiến hành khảo sát lấy ý kiến đánh giá từ các y bác sĩ và sinh viên y khoa (15 sinh viên và 4 bác sĩ). Kết quả trả về là 8,5/10 điểm về mức độ đáp ứng của phần mềm với những kỳ vọng thực tế. Băn khoăn lớn nhất của y bác sĩ vẫn là tính chính xác của mô hình 3D phải thể hiện bằng các số liệu. Đây là bước tiếp theo đang được nhóm thực hiện. Ngoài ra, nhóm còn cải tiến thêm về tốc độ chạy của phần mềm để nhiều máy tính có thể chạy tốt được phần mềm”, Tuấn Hy cho biết thêm.

Trong vai trò đồng hành, thầy Đỗ Công Triết (giáo viên tin học của Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong) đánh giá, nhóm nghiên cứu đã thể hiện được tinh thần nghiên cứu khoa học, nỗ lực tự học và sáng tạo. Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, giáo viên chỉ ở vị trí định hướng, dẫn đường, gợi mở. “Điều các em học được nhiều khi thực hiện đề tài là kiến thức tự học, khả năng phân tích, nghiên cứu các vấn đề. Điều này sẽ hỗ trợ các em rất nhiều khi học tiếp ở bậc đại học, ươm mầm đam mê nghiên cứu khoa học sau này”, thầy Triết cho biết.

Bài, ảnh: Yến Hoa