Mục lục 12 1 Mở đầu 02 12 2 Tia X và CT 07 12 2 1 Chụp X quang thông thường 08 12 2 2 CT 10 12 3 Siêu âm hình ảnh 13 12 3 1 Công nghệ sản xuất hình ảnh 13 12 3 2 Hình ảnh Doppler 15 12 3 3 Các kỹ thuật siêu âm khác 17 12 4 Y học hạt nhân 17 12 4 1 Phương pháp hình ảnh y học hạt nhân 18 12 4 2 Ứng dụng của y học hạt nhân 19 12 4 3 Hoạt động của tia Gamma 20 12 5 Optical Bioimaging 23 12 5 1 Huỳnh quang và ảnh đồng tiêu 26 12 5 2 Nội soi và sợi quang học 28 12 6 MRI 29 12 7 Xử lý và phân tích hình.
Tia X và CT
Chụp X-quang thông thường
Khi một tia X xuyên qua cơ thể, nó tạo ra một hình ảnh chụp X-quang, trong đó phim sẽ tối hơn ở những vùng có mật độ thấp và sáng hơn ở những vùng có mật độ cao Các vùng tối xuất hiện khi cơ thể chứa các nguyên tố nhẹ, như thịt, cho phép tia X xuyên qua dễ dàng hơn.
1 The biological hazards of ionizing radiation, as well as the use of these rays for treatment of cancer , are described in Chapter 16
Phóng xạ là năng lượng được truyền đi dưới dạng sóng, bao gồm bức xạ có thể nhìn thấy, tia cực tím với bước sóng ngắn hơn, và bức xạ hồng ngoại với bước sóng dài hơn, tất cả đều được phát ra từ các đối tượng Nhiệt độ của một đối tượng quyết định bức xạ nhiệt mà nó phát ra; khi nhiệt độ tăng, bước sóng chính của bức xạ sẽ giảm Do đó, bức xạ nhiệt có thể được sử dụng để ước lượng nhiệt độ của các đối tượng.
Hình 12.1 Hộp Thuộc tính của quang phổ điện từ Ảnh từ nguồn của NASA.
Quang phổ điện từ là một tập hợp liên tục của tất cả các dạng bức xạ điện từ, được phân chia thành các khu vực theo bước sóng giảm Bước sóng (λ) của bức xạ liên quan chặt chẽ đến tần số (f) và năng lượng thực của bức xạ điện từ cũng phụ thuộc vào tần số này.
Công thức E = hf thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng (E) và tần số (f) của bức xạ điện từ, trong đó h là hằng số Planck (6,63 × 10^-34 Js) và c là vận tốc ánh sáng (299.792.458 m/s) Bức xạ điện từ không chỉ được đặc trưng bởi bước sóng mà còn có tính chất hạt, với mỗi photon mang một năng lượng lượng tử nhất định.
Sóng vô tuyến có bước sóng dài nhất, thường được sử dụng cho phát sóng phát thanh và truyền hình, với tần số radio FM nằm trong khoảng 88 đến 108 MHz Trong khi đó, sóng cực ngắn có bước sóng ngắn hơn, dao động từ 1 mm đến 1 m và tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, được ứng dụng trong truyền thông và truyền tải điện, như trong lò vi sóng Bức xạ hồng ngoại, có bước sóng từ 1 mm đến 750 nm, phát ra chủ yếu từ các cơ quan ở nhiệt độ từ 1 đến 1.000 K, đóng vai trò quan trọng trong việc phơi bày phim Ánh sáng trắng xuất hiện khi cơ thể chứa nhiều nguyên tố nặng, như xương, làm giảm khả năng tia X chiếu qua phim Cường độ tia X giảm theo cấu trúc mà nó đi qua, tạo ra hình ảnh hai chiều từ cấu trúc ba chiều của cơ thể, với mỗi vị trí trên hình ảnh phản ánh độ dày và mật độ của các mô khác nhau.
Hình 12.6 Hình thành một hình ảnh y tế của x-quang Trong sự phát triển của các bộ phim, các hạt bạc halogen trong phim
Chỉ những hạt đã hấp thụ năng lượng mới được chuyển đổi thành bạc kim loại, xuất hiện dưới dạng hạt đen Hình ảnh tạo ra trên phim hoặc các máy dò khác là sự phóng chiếu mật độ của các đối tượng ba chiều lên một bề mặt hai chiều phẳng.
Mắt người có khả năng phát hiện một phạm vi hẹp trong quang phổ điện từ, với bước sóng từ 400 đến 700 nm, kích thích các phản ứng hóa học trong tế bào võng mạc Các tế bào chuyên biệt trong võng mạc giúp con người nhận biết màu sắc, bao gồm tím (400-450 nm), xanh (450-490 nm), xanh lá cây (490-560 nm) và vàng (560-590 nm).
590 nm ), màu cam (590-630 nm), và màu đỏ (630-700 nm)
Tia cực tím (UV) có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy, mang nhiều năng lượng và có thể gây bỏng da khi tiếp xúc kéo dài Tia gamma và tia X có bước sóng ngắn hơn và năng lượng cao hơn, hữu ích trong y học nhưng cũng gây ra ion hóa, làm thay đổi hóa học trong tế bào Mặc dù liều lượng thấp của bức xạ ion hóa có ảnh hưởng không đáng kể, liều cao có thể gây nhiễm độc phóng xạ, kích ứng và phá hủy mô Tiếp xúc lâu dài với liều thấp có thể gây tổn thương DNA, dẫn đến đột biến và bệnh tật, đặc biệt là ung thư.
Hình 12.7 X quang ngực cho thấy bong bóng khí thũng trong phổi trái. đối tượng ba chiều được tạo ra trên một mặt phẳng, được gọi là một chiều.
Hình ảnh X-quang có khả năng phát hiện gãy xương, sâu răng, dịch trong phổi và ung thư vú nhờ vào độ tương phản giữa các mô với nhau X-quang đặc biệt hiệu quả khi có sự khác biệt về mật độ giữa mô mềm và không khí, xương và mô mềm, hoặc nước và mô mềm Tuy nhiên, các cấu trúc mô mềm như não hoặc bụng không có nhiều sự thay đổi về mật độ, dẫn đến độ tương phản thấp Một trong những ứng dụng phổ biến của X-quang là tủ tia X, được bác sĩ sử dụng để chẩn đoán nhiễm trùng phổi, gãy xương sườn và một số bệnh tim.
Hệ thống tiêu hóa có thể được tạo hình ảnh bằng cách sử dụng các tác nhân tương phản, giúp tăng cường sự khác biệt về mật độ trong cơ thể Một ví dụ điển hình là yêu cầu bệnh nhân nuốt dung dịch chứa barium, làm cho bên trong đường tiêu hóa trở nên đậm đặc hơn trên tia X Ngoài ra, không khí cũng có thể được sử dụng để tạo ra các bóng tối trong hình ảnh Các phương pháp này cho phép phát hiện những bất thường nhỏ như túi thừa và khối u trong thành ruột Tác nhân tương phản được áp dụng rộng rãi trong công nghệ chẩn đoán hình ảnh, giúp cải thiện độ tương phản trong hình ảnh tia X và các phương pháp hình ảnh khác X-quang có thể được thực hiện qua thời gian để theo dõi sự thay đổi trong cơ thể, với việc sử dụng màn hình huỳnh quang thay vì phim.
CT
Hình ảnh tia X đã được cải tiến đáng kể với sự ra đời của công nghệ chụp cắt lớp vi tính (CT) Những phát minh quan trọng dẫn đến sự phát triển này bao gồm các thuật toán toán học, cho phép thu thập hình ảnh từ nhiều góc độ khác nhau để tái tạo hình ảnh ba chiều của cơ thể Hình ảnh CT cung cấp cái nhìn chi tiết về cấu trúc bên trong, giúp xác định mối quan hệ giữa các mô Godfrey Hounsfield, một kỹ sư người Anh, đã phát triển công nghệ CT vào năm 1972 khi làm việc tại EMI, công ty thu âm nổi tiếng với Beatles Đồng thời, Allan Cormack tại Đại học Tufts đã phát triển các phương pháp toán học cần thiết cho quá trình tái xây dựng hình ảnh.
Hình 12.8 Sơ đồ một hình ảnh cắt lớp vi tính
Hình 12.9 Bộ não con người qua lát cắt tia X hình ảnh trong đầu những năm 1960 Hai nhà phát minh đoạt giải Nobel Y học năm
Trong máy quét CT, bệnh nhân nằm trên bàn di chuyển qua lỗ hình tròn của máy quét, nơi máy phát tia X và thiết bị dò chuyển động tạo ra hình ảnh mặt cắt ngang cơ thể Bàn di chuyển bệnh nhân đến từng lát hình ảnh, và các kỹ thuật toán học được sử dụng để tái xây dựng hình ảnh ba chiều từ dữ liệu thu thập được.
Độ tương phản của CT chủ yếu được giới hạn trong mô mềm, nhưng công nghệ này rất linh hoạt và hữu ích cho việc chụp ảnh các khu vực như đầu, phổi, bụng, khung chậu và các chi Gần đây, máy quét CT đã có những cải tiến đáng kể.
CT xoắn ốc sử dụng tia X di chuyển liên tục theo một đường xoắn ốc, tạo ra hình ảnh ba chiều sắc nét với tốc độ nhanh chóng Điều này không chỉ cho phép chụp ảnh động của các cấu trúc chuyển động như trái tim mà còn phát triển công nghệ Micro CT, giúp tạo ra hình ảnh của các cấu trúc nhỏ, rất hữu ích cho nghiên cứu y học ở động vật, đặc biệt là các loài gặm nhấm.
Hình 12.10 trình bày cấu trúc ba chiều của động mạch cảnh, được tạo ra từ công nghệ chụp cắt lớp vi tính Hình ảnh này được cung cấp bởi GE Healthcare (Xem tấm màu.)
Khi tia X đi qua cơ thể, chúng được hấp thu, hoặc suy yếu, bởi các mô.
Mức độ suy giảm tia X, hay còn gọi là mật độ hạt, phụ thuộc vào mật độ và thành phần của mô Xương có khả năng làm suy giảm và hấp thụ tia X mạnh mẽ, trong khi nước chỉ làm suy giảm ít hơn nhiều Vì vậy, mỗi loại mô sẽ có mức độ tương tác khác nhau với tia X.
Cơ bắp, mỡ và xương đều có mật độ hạt đặc trưng Để tính toán năng lượng tia X xuyên qua bệnh nhân, cần cộng dồn độ suy giảm của từng phần trong đường đi của tia X.
Trong thuật ngữ toán học, cường độ truyền tia X được quan sát là có liên quan tới cường độ của chùm tia tới bởi:
(Equation 1) Ảnh hưởng của độ suy giảm được đưa trên đường đi của tia sang Phương trình này được viết lại như sau: ln N i
Bởi hình ảnh ở nhiều góc độ khác nhau, tổng của các giá trị của μ trong phương trình 2 được lấy từ một loạt các hướng xung quanh đối tượng.
Mục tiêu của việc xây dựng lại từ các dự là xác định giá trị của μ tại từng vị trí trong các đối tượng thực tế được ghi ảnh Có nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề này, tương tự như một phiên bản phức tạp của trò chơi Sudoku, trong đó các giá trị phải tăng lên theo quy định của dữ liệu Một trong những cách tiếp cận là đưa ra dự đoán ban đầu cho từng giá trị.
The Fourier transform of the function provides the values of F(u, v) along the dashed line in the u, v plane It is essential to carefully adjust the predictions until all parameters align accurately.
Nghiên cứu chỉ ra rằng, nếu có một tập hợp dự báo về hình ảnh được chụp từ nhiều góc độ khác nhau, thì biến đổi Fourier của chúng sẽ tương đương với biến đổi Fourier của hình ảnh tại cùng một góc độ Điều này cho phép chúng ta tái tạo lại các biến đổi Fourier và hình ảnh gốc từ các hình chiếu ở nhiều góc độ khác nhau Thực tế, các thuật toán mới có thể được phát triển dựa trên những mối quan hệ này.
Bằng cách xác định giá trị của μ tại nhiều lát cắt qua cơ thể, chúng ta có thể xây dựng một hình ảnh ba chiều Kỹ thuật máy tính trực quan sẽ được áp dụng để hiển thị các mối quan hệ phức tạp giữa các cấu trúc bên trong cơ thể.
Siêu âm hình ảnh
Công nghệ sản xuất hình ảnh
Vật liệu tinh thể áp điện được sử dụng để tạo ra xung siêu âm, với khả năng rung động khi nhận tín hiệu điện và ngược lại, tạo ra điện áp khi dao động Để tạo hình ảnh siêu âm, các tinh thể này thường được thiết kế thành hình dạng lõm, giúp tập trung sóng ở một hướng nhất định Hơn nữa, các vật liệu này được điều chỉnh để đạt tần số cộng hưởng dao động trong khoảng megahertz, từ 2 × 10^6 đến 13 × 10^6.
Tần số sóng âm từ 106 sec-1 (hoặc Hz) đến 2-13 MHz tương tác an toàn với các mô Các tần số này, thuộc megahertz, không thể nghe thấy bởi con người, vì thính giác của chúng ta thường chỉ giới hạn trong khoảng 20-20,000 Hz.
Cấu trúc được phát hiện qua tiếng vang của sóng âm phản xạ từ các giao diện mô như đầu thai nhi hoặc thành tim Tại mỗi giao diện, một phần sóng được phản ánh, trong khi phần còn lại tiếp tục di chuyển trong cơ thể Những tiếng vang này trở về đầu dò, nơi chúng được đo lường thông qua các tinh thể áp điện Các điện áp do tiếng vang tạo ra được ghi lại, và vì các đầu dò phát ra nhiều đợt sóng, một chuỗi hồi âm được nhận và chuyển đổi thành điện áp Độ lớn của điện áp thay đổi cho biết cường độ tiếng vang, trong khi vị trí không gian của mỗi tiếng vang được xác định bằng thời gian bay, tức là thời gian giữa việc phát xung và nhận hồi âm Trong siêu âm, tốc độ âm thanh được giả định là không đổi trong mô, tương tự như tốc độ âm thanh trong không khí.
Hình ảnh siêu âm thai nhi là một trong những quy trình phổ biến nhất trong y học, bao gồm hình ảnh siêu âm thông thường và hình ảnh ba chiều của bào thai Kỹ thuật hình ảnh siêu âm cho phép quan sát rõ nét sự phát triển của thai nhi, cung cấp thông tin quan trọng cho bác sĩ và gia đình.
Khoảng cách từ đầu dò đến cấu trúc được xác định bởi hai lần khoảng cách 2D, tạo ra một chuyến đi vòng quanh và trở lại Do đó, thời gian liên quan đến khoảng cách có thể được biểu diễn bằng công thức: c = 2d/t hoặc d = ct.
To calculate the time required to receive an echo from the aorta, we consider that the aorta is located 6 cm deep, with the transducer positioned against the abdominal wall The speed of sound in body tissue is approximately 1540 meters per second By using the formula for time, which is distance divided by speed, we can determine the echo return time The total distance for the sound wave to travel to the aorta and back is 12 cm (6 cm to the aorta and 6 cm back) Therefore, the time required to receive the echo is approximately 0.0078 seconds.
Bộ chuyển đổi siêu âm một chiều cho phép xác định vị trí các đối tượng va chạm thông qua phương trình 12.1 Để tạo hình ảnh, đầu dò quay theo nhiều hướng khác nhau nhờ động cơ, từ đó quét và kết hợp các dòng hình ảnh thành một hình ảnh giống như chiếc bánh hình nêm Quá trình này diễn ra nhanh chóng, cho phép hình ảnh được hình thành liên tục trong thời gian thực, tạo ra một bộ phim về đầu dò hoặc đối tượng di chuyển Hình ảnh siêu âm, như hình ảnh một bào thai trong tử cung, thường xuất hiện "nhiễu" với nhiều điểm sáng ngẫu nhiên Tiếng vang không chỉ xảy ra ở ranh giới nội tạng mà còn ở các mô nhỏ, gọi là "đốm", có thể che khuất các đặc tính quan trọng Tuy nhiên, nhờ vào việc siêu âm cung cấp dòng video theo thời gian, những đốm này không ổn định theo thời gian, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh nhờ vào chuyển động.
Hình ảnh Doppler
Việc đo vận tốc của các mô, như tốc độ lưu thông máu hay tỷ lệ co bóp của tim, là rất quan trọng Vận tốc này có thể được xác định thông qua siêu âm bằng cách sử dụng hiệu ứng Doppler.
Tần số cao và bước sóng ngắn thường xuất hiện trong sóng âm thanh Khi một chiếc xe di chuyển, âm thanh của tiếng còi sẽ có tần số cao hơn đối với người đi bộ đứng phía trước xe Tương tự, một người đứng trên sân ga sẽ nghe tiếng còi của xe lửa đến gần với tần số cao, nhưng khi xe lửa đi qua, âm thanh sẽ giảm xuống tần số thấp hơn.
Hiệu ứng Doppler ảnh hưởng đến âm thanh mà người quan sát nghe thấy từ một chiếc xe di chuyển Những người ở phía trước xe sẽ nghe thấy âm thanh có tần số cao, trong khi những người ở phía sau sẽ nghe thấy âm thanh có tần số thấp Để tạo ra hình ảnh Doppler siêu âm, đầu dò phát ra tín hiệu siêu âm với bước sóng cố định, nhưng bước sóng của tiếng vang sẽ thay đổi tùy thuộc vào hướng và góc độ chuyển động của các đối tượng phát ra tiếng vang Trong trường hợp lưu lượng máu, tiếng vang đến từ các tế bào máu đang chuyển động trong dòng chảy.
Khi đối tượng di chuyển về phía đầu dò, bước sóng sẽ ngắn hơn và tần số sẽ cao hơn; ngược lại, nếu đối tượng di chuyển ra xa, tần số sẽ thấp hơn Sự thay đổi tần số lớn hơn khi đối tượng di chuyển nhanh hơn Nếu hướng chuyển động trùng với hướng của các xung siêu âm, sự thay đổi tần số sẽ lớn hơn khi chuyển động theo một góc Tần số thay đổi có thể được đo và sử dụng để tính toán vận tốc.
Trong môi trường truyền sóng siêu âm, các bước sóng và tần số được xác định bởi công thức c = λf và T = 1/f, trong đó c là vận tốc siêu âm, λ là bước sóng, f là tần số và T là chu kỳ Mặc dù sự thay đổi tần số quan sát thường nhỏ, vị trí của các đầu dò có thể tối ưu hóa hiệu suất, đặc biệt khi các trục chuyển động và đầu dò song song Đối với các đối tượng di chuyển, bước sóng được tính bằng λ1 = λ0 + (v cos θ)T0, với θ là góc giữa hướng dòng chảy và xung siêu âm, v là vận tốc của đối tượng, và T0 là chu kỳ Do các đối tượng phản xạ siêu âm di chuyển tương đối với đầu dò, tần số sóng truyền lại cho đầu dò được tính bằng f2 = c − v cos θ/λ1.
, (12.4) giả sử v c Hình 12.13 cho thấy một hình ảnh siêu âm Doppler động mạch cảnh.
Hình ảnh Doppler của các nhánh động mạch cảnh được trình bày trong Hình 12.13, với nguồn gốc từ Tiến sĩ James D Rabinov tại Bệnh viện đa khoa Massachusetts Hình ảnh này được sử dụng với sự cho phép và có thể xem trong tấm màu.
Các kỹ thuật siêu âm khác
Siêu âm chủ yếu được sử dụng để tạo ra hình ảnh cấu trúc cơ thể và chức năng Tính đàn hồi của mô có thể được xác định qua việc đo sự thay đổi trong cấu trúc khi bị nén Bọt khí cực nhỏ được sử dụng để tăng độ tương phản trong hình ảnh siêu âm, với khí trong bọt gây ra phản xạ mạnh, tạo ra vùng sáng Các bọt khí này có thể được điều chỉnh để nhắm mục tiêu các khu vực cụ thể, làm nổi bật tầm quan trọng của chúng Hình siêu âm ba chiều cũng đã được phát triển thông qua việc xoay các đầu dò hoặc mảng đầu dò.
Y học hạt nhân
Phương pháp hình ảnh y học hạt nhân
Các hợp chất phóng xạ trong y học hạt nhân, hay còn gọi là chất đánh dấu, được sử dụng để phản ánh các chức năng sinh lý như truyền máu và trao đổi chất bằng cách gắn đồng vị phóng xạ vào phân tử liên quan Chẳng hạn, iodine-131 (131I) được sử dụng vì tuyến giáp có khả năng tập trung iốt Quá trình chụp ảnh sẽ đo sự phân bố phóng xạ trong cơ thể, với các khu vực có độ phóng xạ cao cho thấy sự hiện diện của các phân tử Các phương pháp chính trong tạo ảnh y học hạt nhân bao gồm hình ảnh phẳng, phát xạ photon đơn lẻ CT (SPECT) và PET.
Hình ảnh phẳng và SPECT sử dụng phân tử hóa học kết hợp với tia gamma, trong đó technetium-99m là một trong những phần tử phóng xạ chủ yếu Đồng vị technetium có chu kỳ bán rã ngắn (6 giờ), dẫn đến sự giảm bớt phóng xạ nhanh chóng sau khi tiêm vào cơ thể Máy gamma, một công cụ chuyên dụng, phát hiện tia gamma và tạo ra hình ảnh phóng xạ, với hoạt động của nó được mô tả chi tiết trong phần 12.4.3.
PET sử dụng các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn để phát xạ hạt positrons, như oxygen-15 với chu kỳ bán rã 2 phút Do thời gian bán rã ngắn, các hợp chất cần được sản xuất gần địa điểm sử dụng Quá trình này diễn ra thông qua máy gia tốc hạt và các phương tiện đặc biệt để kiểm soát an toàn các vật liệu phóng xạ Các đồng vị thường được sử dụng trong bộ phát Positron bao gồm các nguyên tử nhẹ như 11C, 13N và 18F.
Khi các đồng vị phân rã, positron được phát ra trong cơ thể và nhanh chóng gặp electron, dẫn đến việc hai hạt triệt tiêu lẫn nhau.
Hình ảnh cắt lớp phát xạ positron (PET) được tạo ra thông qua một chuỗi các bước xử lý Trong quá trình này, hai photon phát ra theo hướng đối lập và được máy quét PET thu nhận ngay lập tức Dữ liệu từ các photon này được chuyển đến một đơn vị xử lý để xác định xem hai sự kiện có phải là trùng hợp ngẫu nhiên hay không Cuối cùng, tất cả các sự trùng hợp được chuyển tiếp đến các đơn vị xử lý hình ảnh, nơi dữ liệu hình ảnh được tái tạo thông qua quy trình tái hình ảnh.
Quá trình tạo ra hai tia gamma di chuyển ngược chiều nhau, và để xác định nơi xảy ra sự triệt tiêu, đầu dò được đặt xung quanh các trường hình ảnh Hai tia gamma sẽ gặp máy dò gần như đồng thời, trừ khi một trong hai tia bị tán xạ Tán xạ xảy ra khi tia gamma tương tác với vật chất, dẫn đến mất năng lượng và thay đổi hướng Tuy nhiên, các đầu dò có khả năng phát hiện các hạt đi theo cặp mà không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán xạ của tia gamma.
Ứng dụng của y học hạt nhân
Các chất phóng xạ trong y học hạt nhân được thiết kế để phản ánh chức năng của cơ thể, như tuần hoàn máu, và thường được dẫn đến các cơ quan cụ thể Ứng dụng lâm sàng đầu tiên trong hình ảnh tuyến giáp sử dụng iodine-131 (131 I) để phát hiện ung thư và đánh giá chức năng tuyến giáp Bệnh nhân sẽ nuốt dung dịch sodium iod chứa 131 I, chất này sẽ được hấp thụ qua hệ tiêu hóa, đi vào tuần hoàn máu và lưu trữ trong tuyến giáp.
Sự phát triển của chất đánh dấu phóng xạ đã mở rộng ứng dụng của y học hạt nhân, cho phép hình ảnh hóa các tổn thương ở tim và não do cơn đau tim hoặc đột quỵ Chụp cắt lớp xương với chất đánh dấu đặc biệt giúp hình dung sự phát triển xương, gãy xương, khối u và nhiễm trùng Ngoài ra, các cơ quan như đường tiết niệu, phổi và gan cũng có thể được tạo ảnh một cách hiệu quả.
Bất thường trong ảnh y học hạt nhân có thể biểu hiện dưới dạng hoạt động gia tăng, với điểm sáng xuất hiện, hoặc hoạt động giảm, thể hiện qua vùng tối Chất đánh dấu lưu lượng máu cho thấy rằng tăng hoạt động có thể chỉ ra sự hiện diện của khối u hoặc gãy xương, cả hai đều liên quan đến sự gia tăng lưu lượng máu Ngược lại, hoạt động giảm có thể chỉ ra vị trí của tổn thương hoặc hạn chế lưu lượng máu, như trong trường hợp đột quỵ hoặc nhồi máu.
Trong quá trình kiểm tra tim, lưu lượng máu đến các vách tim được đo và có thể được đánh giá thông qua việc tập thể dục trước khi chụp chiếu để phát hiện sự thay đổi liên quan đến stress Việc sử dụng điện tâm đồ để đồng bộ hóa quá trình chụp chiếu với nhịp tim giúp cải thiện chất lượng hình ảnh, tránh mờ do chuyển động Ngoài ra, kiểm tra gan và lá lách chiếm khoảng ba phần tư trong quét y học hạt nhân, giúp xác định kích thước, hình dạng và các bất thường như áp xe hay tổn thương liên quan đến viêm gan và xơ gan Hình ảnh từ thận và bàng quang cũng cung cấp thông tin về chức năng động và các vấn đề ở đường tiết niệu.
SPECT và PET là hai kỹ thuật hình ảnh trong não, cho phép đo lưu lượng máu, sự trao đổi chất và ràng buộc dẫn truyền thần kinh thông qua việc sử dụng chất phóng xạ Những phương pháp này rất quan trọng trong chẩn đoán các bệnh lý như đột quỵ và khối u, đồng thời ngày càng trở nên cần thiết trong nghiên cứu các rối loạn thần kinh tâm thần như trầm cảm và tâm thần phân liệt.
Hoạt động của tia Gamma
Mặt phẳng và hình ảnh SPECT được tạo ra từ camera gamma, hay còn gọi là máy ảnh Anger, do kỹ sư Hal Anger phát minh Các camera gamma bao gồm máy dò nhấp nháy để phát hiện tia gamma, bộ nhân quang điện chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện, và ống chuẩn trực để lọc tia gamma Mỗi camera ghi lại một hình ảnh phẳng, phản ánh phóng xạ theo hướng mà camera đang chiếu Bằng cách sử dụng các phương pháp toán học tương tự như trong CT, hình ảnh cắt ngang có thể được tạo ra từ nhiều góc độ khác nhau, cho phép tái tạo mặt cắt từ các dữ liệu phóng xạ.
Tia gamma, hay photon năng lượng cao, phát ra từ bên trong cơ thể và tập trung ở những vùng nhất định tùy thuộc vào loại chất chỉ thị Khi tia gamma thoát ra, một số sẽ bị phân tán hoặc hấp thụ trước khi vào máy ảnh Tia gamma xâm nhập vào các máy ảnh để phục vụ cho việc chẩn đoán.
SEPTA là một ống chuẩn trực, thường được cấu tạo từ các kênh dẫn cho phép tia gamma xâm nhập trực tiếp theo hướng phù hợp với kênh Trong thiết kế lỗ song song, các dải dẫn được sắp xếp song song với nhau, tối ưu hóa khả năng dẫn truyền tia gamma.
PARALLEL HOLE được bố trí vuông góc với đầu camera, đảm bảo chỉ những photon phát ra từ khu vực ngay bên dưới camera được quan sát Các photon đến từ các góc khác sẽ bị hấp thu gần như hoàn toàn bởi ống dẫn.
Một loại ống chuẩn trực quan trọng là ống chuẩn trực lỗ kim, cho phép chỉ tia gamma đi qua lỗ kim được chụp ảnh, tạo ra hình ảnh đảo ngược và có khả năng phóng đại Phóng đại có thể điều chỉnh thông qua khoảng cách giữa đối tượng và lỗ, với tỷ lệ phóng đại là khoảng cách từ lỗ máy dò đến lỗ Ống này thường được sử dụng để hình ảnh hóa các cấu trúc nhỏ như tuyến giáp Khi photon tia gamma đi qua ống, chúng va chạm với tinh thể lấp lánh, phát ra nhiều photon ánh sáng nhìn thấy, được phát hiện bởi các ống nhân quang và chuyển đổi thành tín hiệu điện Thiết bị điện tử trong camera theo dõi số lượng và vị trí tín hiệu, gửi thông tin đến máy tính để tạo thành hình ảnh, cho thấy sự phân bố không gian của các chất phóng xạ và sự thay đổi mức độ phóng xạ theo thời gian.
Hình 12.17 Hình ảnh từ một camera gamma In lại từ
Groch, MW, và Erwin, WD, Single-Photon
Emission chụp cắt lớp trong năm 2001: đo lường và kiểm soát chất lượng J Med
Để đảm bảo hình ảnh chính xác từ các tia gamma năng lượng thích hợp, chỉ những photon nằm trong một khoảng năng lượng xác định, gọi là cửa sổ năng lượng, mới được tính Cửa sổ năng lượng này dựa trên năng lượng đặc trưng của chất đánh dấu phóng xạ Việc mở rộng cửa sổ năng lượng có thể tăng cường tín hiệu bằng cách cho phép nhiều photon được tính cho hình ảnh, nhưng cũng đồng thời cho phép năng lượng không mong muốn.
Hình 12.18 minh họa ảnh lát cắt não được chụp bằng công nghệ chụp cắt lớp phát xạ positron, cho thấy sự phân tán của photon gamma Vị trí photon không chắc chắn, và một số photon có thể bị hấp thụ trong mô, dẫn đến tín hiệu giảm ở các bộ phận cơ thể dày hơn Khoảng cách lớn hơn cũng làm giảm tín hiệu thu được.
Sự kiện phóng xạ được mô tả bởi phân phối xác suất Poisson, dẫn đến độ lệch chuẩn của các phép đo bằng căn bậc hai của hoạt động Khi số lượng sự kiện hay hoạt động là A, độ lệch chuẩn hay lỗi sẽ là căn bậc hai của A Từ đó, tỷ lệ tín hiệu lỗi trong các tín hiệu nhiễu có thể được tính toán.
Trong hình ảnh y học hạt nhân, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng hình ảnh Khi hoạt động thấp, tín hiệu không nổi bật hơn nhiều so với nhiễu, dẫn đến hình ảnh bị lốm đốm Ngược lại, khi hoạt động cao hơn, tỷ lệ S/N tăng lên, cải thiện chất lượng hình ảnh Mặc dù phóng xạ cao hơn có thể mang lại hình ảnh tốt hơn, lượng phóng xạ mà bệnh nhân nhận được cần phải được giảm thiểu để đảm bảo an toàn Do đó, việc tạo ra hình ảnh y học hạt nhân yêu cầu một sự cân bằng giữa chất lượng hình ảnh và liều lượng phóng xạ cho bệnh nhân.
Máy ảnh PET hoạt động bằng cách phát hiện sự trùng hợp để xác định vị trí của các positron thông qua việc ghi nhận đồng thời hai tia gamma phát ra từ các vị trí đối diện trong cơ thể Thay vì sử dụng chuẩn trực vật lý, máy ảnh PET áp dụng chuẩn trực điện tử, cho phép phát hiện hai photon từ sự hủy positron/electron một cách đồng thời Các sự kiện chỉ được ghi nhận khi chúng xảy ra cùng lúc trên đường nối giữa hai máy dò, giúp tăng độ nhạy so với chuẩn trực vật lý Hình ảnh PET được tạo ra từ phương pháp này rất hữu ích trong việc chụp ảnh phân tử trong não.
Optical Bioimaging
Huỳnh quang và ảnh đồng tiêu
Fluorophores là các phân tử huỳnh quang, phát ra ánh sáng ở bước sóng cụ thể sau khi bị kích thích bởi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn Hiện tượng huỳnh quang được quan sát bằng cách chiếu sáng mẫu bằng các bước sóng cụ thể, giúp kích thích sự phát huỳnh quang Kính hiển vi sẽ lọc ra ánh sáng chiếu rọi, chỉ hiển thị hình ảnh từ ánh sáng phát ra Thuốc nhuộm huỳnh quang có thể được sử dụng để nhuộm các loại tế bào nhất định, tạo ra hiện tượng "thắp sáng" khi tiếp xúc với ánh sáng kích thích phù hợp.
Chức năng thông tin có thể được ghi lại bằng kính hiển vi huỳnh quang, một phương pháp có ảnh hưởng lớn trong nghiên cứu sinh học Ví dụ, biểu đồ gen có thể được tạo ra bằng cách thay đổi DNA để sản xuất các phiên bản huỳnh quang của protein Protein huỳnh quang xanh lá (GFP), tự nhiên xuất phát từ một loại sứa, đã hỗ trợ đáng kể cho các nghiên cứu vì nó ít gây hại cho tế bào hơn so với các loại huỳnh quang tổng hợp khác Các tế bào được biến đổi để thể hiện GFP hoặc liên kết với protein tế bào khác có thể được chụp trong động vật sống Ngoài ra, các biến thể của GFP với màu sắc khác nhau cũng đã được phát triển, cho phép chụp nhiều đối tượng trong một thí nghiệm duy nhất.
Cấu trúc hai chiều và cấu trúc động có thể được quan sát bằng kính hiển vi truyền thống Tuy nhiên, khi kết hợp huỳnh quang với kính hiển vi đặc biệt, hình ảnh ba chiều sẽ được tạo ra Kính hiển vi đồng tiêu cho phép hình ảnh từ nhiều cấp độ khác nhau trong một mẫu vật, mang lại cái nhìn sâu sắc hơn về cấu trúc của nó.
Hình 12.21 Ảnh tế bào diễn tả huỳnh quang ở động vật sống A Vùng này bao gồm 1 bướu U87
Huỳnh quang GFP, phát ra ở 520 nm.
B Vùng này bao gồm 1 bướu với NB1691
Luciferase fluorescence với đỉnh phát ra ở 480 nm.
Image courtesy of M Waleed Gaber, PhD, Biomedical
Engineering and Imaging Department, University of
Tại Trung tâm Khoa học Y tế Tennessee ở Memphis, ánh sáng từ các điểm trên và dưới một mặt phẳng tiêu được chọn sẽ được lọc qua một lỗ kim Bằng cách điều chỉnh các mặt phẳng tiêu cự, các cấp độ khác nhau có thể được tạo ra một cách riêng biệt, và những hình ảnh này có thể được lắp ráp thành một hình ảnh ba chiều.
Kính hiển vi đồng tiêu cho phép chụp ảnh ở nhiều mặt phẳng tiểu điểm khác nhau, tạo thành một chuỗi các phần Những phần này có thể được lắp ráp lại để hình thành một ảnh 3 chiều, như hình ảnh của neuron hippocampal Ảnh được thực hiện bởi Robert S McNeil và Dr Gary Clark từ Cain Foundation Laboratories, Baylor College of Medicine.
Nội soi và sợi quang học
Mặc dù máy ảnh có thể chụp được cấu trúc bên ngoài và kính hiển vi có thể hiển thị hình ảnh mẫu vật nhỏ, việc ghi lại hình ảnh bên trong cơ thể gặp khó khăn do da không thấu quang Tuy nhiên, có những phương pháp sử dụng ánh sáng để chụp ảnh các cơ quan nội tạng, chẳng hạn như nội soi, sử dụng sợi quang để đưa ánh sáng vào và ra khỏi cơ thể qua các ống dẫn, giúp quan sát các cấu trúc bên trong Nội soi có thể kiểm tra các cơ quan và khoang như hệ tiêu hóa thông qua ống nội soi linh hoạt hoặc không linh hoạt Basil Hirschowitz và các cộng sự tại Đại học Michigan đã phát triển nội soi hiện đại đầu tiên, cho phép quan sát lớp lót bên trong dạ dày Hiện nay, các thiết bị nội soi dài với sợi quang nội bộ và các kênh cho phép hình ảnh qua nhiều lỗ trong cơ thể, bao gồm cả phổi và ruột già Ngoài ra, bác sĩ phẫu thuật sử dụng kính nhỏ để tìm kiếm mô bên trong mà không cần các lỗ thuận tiện, thường áp dụng trong ổ bụng và khớp Sợi quang học hoạt động dựa trên nguyên tắc nội phản xạ, xảy ra khi ánh sáng đi qua giữa các vật liệu có chiết suất khác nhau, dẫn đến hiện tượng phản xạ nội bộ khi ánh sáng từ chất có chiết suất cao chuyển sang chất có chiết suất thấp với góc tới đủ nhỏ.
Hình 12.23 Optical fiber with total internal reflection. giải các định luật Snell (phương trình 12.6) cho một góc khúc xạ 90◦ Điều này cho ta : v1
Nếu tiêu chí ánh sáng được thỏa mãn, ánh sáng sẽ không vượt qua ranh giới và không bị mất mát Ánh sáng phản xạ tại ranh giới và được hướng bởi các đường dẫn của sợi quang Các sợi quang học thường được làm bằng thủy tinh với lõi có chiết suất cao và lớp ốp ngoài có chiết suất thấp hơn Chúng được thiết kế để ánh sáng phản xạ thỏa mãn góc ngưỡng tại mọi điểm, ngay cả khi sợi bị cong Nếu không có sự nội phản xạ, ánh sáng sẽ bị hấp thụ ngay khi vào sợi Mặc dù có thể sử dụng ống mềm với gương hoàn hảo, nhưng việc làm nhỏ và bọc hoàn hảo rất khó khăn Sợi tổng hợp có thể được chế tạo từ thủy tinh mỏng, chỉ một phần tám milimet, dễ dàng uốn cong.
Nội soi sử dụng sợi quang học để chiếu sáng bên trong cơ thể và nhiều sợi khác để truyền tải hình ảnh ra ngoài Mỗi sợi quang học đo một điểm ảnh, tạo thành hình ảnh tổng thể Ngoài ra, phương pháp này cũng cho phép truy cập để thực hiện các thủ thuật như dùng thuốc hoặc sinh thiết.
MRI
Cộng hưởng từ (MRI) là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh mạnh mẽ, cung cấp hình ảnh ba chiều chi tiết về các mô mềm mà các phương pháp khác như CT không thể thực hiện hiệu quả MRI cho phép quan sát cấu trúc của khớp xương, não và bụng với độ phân giải cao, nhỏ hơn từng milimet Bên cạnh đó, MRI còn linh hoạt trong việc đo lường thành phần sinh hóa, chức năng mô và khuếch tán phân tử, mang lại cái nhìn toàn diện về tình trạng sức khỏe.
MRI sử dụng thuộc tính lưỡng cực từ (spin) của hạt nhân nguyên tử trong từ trường cao Hiện tượng cộng hưởng từ được phát minh vào năm 1946, và công nghệ MRI bắt đầu được ứng dụng vào năm 1973 nhờ công trình của Paul Lauterbur tại Đại học Illinois.
Chụp cộng hưởng từ (MRI) là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh quan trọng, được phát triển bởi Lauterbur và Peter Mansfield tại Đại học Nottingham vào những năm 1980 Quá trình này bắt đầu bằng việc định hướng ngẫu nhiên của proton, sau đó chúng được điều chỉnh vị trí trong lĩnh vực từ và cuối cùng được đo sau khi nhận xung tần số radio Nhờ vào những đóng góp to lớn cho y học, Lauterbur và Mansfield đã được trao giải Nobel Y học.
Máy quét MR là một thiết bị lớn với một lỗ ở giữa, đủ rộng để chứa đối tượng, tránh gây cảm giác ngột ngạt Bên trong, các cuộn dây kim loại tạo ra từ trường mạnh (B0) và thu tín hiệu từ đối tượng Môi trường bên trong có thể ồn ào do sự chuyển đổi nhanh của từ trường Để tạo ra trường B0 mạnh mẽ, các cuộn dây được quấn dài hàng dặm, làm từ vật liệu đặc biệt và được làm mát để đạt trạng thái siêu dẫn Một máy quét MR tiêu chuẩn lâm sàng có từ trường 1,5 Tesla, mạnh gấp 3.000 lần so với nam châm tủ lạnh, trong khi các hệ thống nghiên cứu MR có thể đạt mức cao hơn.
Tạo ảnh trong máy quét MR thường sử dụng hạt nhân phân tử nước (proton) do sự phong phú của chúng, vì hầu hết các mô cơ thể chủ yếu được cấu thành từ nước Khi một đối tượng được đặt trong từ trường của máy quét, các vectơ mômen từ của hạt nhân nước sẽ sắp xếp song song với B0, tạo ra một vector từ hóa M Ở trạng thái cân bằng, M luôn liên kết với B0.
Xung ngắn của bức xạ điện từ tại tần số Larmor, phụ thuộc vào loại hạt nhân và các trường mạnh, được áp dụng vuông góc với B0, tạo ra từ trường ngang B1, làm thay đổi liên kết của hạt nhân hydrogen, hay còn gọi là "tip" Khi các xung này ngừng, hạt nhân sẽ tự phát quay trở lại trạng thái cân bằng ban đầu Góc "tip" ban đầu được gọi là góc kích thích, và sự thay đổi liên kết khiến các vector M chao đảo xung quanh các trường B0 theo tần số Larmor Khi hạt nhân biến động, chúng giải phóng năng lượng RF, có thể được xác định bởi các cuộn dây thu xung quanh đối tượng Sự trở lại trạng thái cân bằng được đặc trưng bởi giãn dọc (T1) và giãn ngang (T2), trong khi vector M precessing tạo ra một RF.
Trong một bộ thu, A B C xen kẽ hiện tại hoạt động như một anten radio, với tính chắc chắn tỷ lệ thuận với góc của các biến động Để tạo ảnh bằng MR, các tín hiệu cần được định vị trong không gian ba chiều thông qua các hình thức "mã hóa không gian" khác nhau Cuộn dây bổ sung cho phép thay đổi tạm thời từ trường tại các điểm khác nhau trong nam châm, tạo ra gradient từ trường theo một hướng để tăng cường độ trường dọc theo trục đó Do tần số Larmor phụ thuộc vào cường độ trường, các hạt nhân hydrogen sẽ dao động ở các tần số khác nhau dọc theo trục Kỹ thuật này được gọi là "mã hóa tần số", trong đó tần số tín hiệu mã hóa vị trí không gian Các vector M có tần số và pha, với chiều thứ hai được mã hóa bằng pha Một trường gradient khác được sử dụng trong thời gian ngắn trước khi gradient mã hóa theo tần số, giúp thay đổi pha của vector M mà không làm thay đổi tần số Chiều thứ ba được mã hóa bằng cách sử dụng một xung RF thiết kế riêng để lựa chọn một dải tần số trong suốt trường gradient tương ứng Qua việc áp dụng hệ thống mã hóa không gian, hình ảnh ba chiều của vật thể có thể được thu được từng lớp một.
Các tín hiệu thu được từ MRI được ghi lại và xử lý để tạo ra hình ảnh, với tỷ lệ giãn khác nhau cho các mô như máu, xương và cơ bắp Độ sáng trong MRI chủ yếu phụ thuộc vào mật độ proton, giãn T1 và T2 của mô Mật độ proton phản ánh sự hiện diện của nước, giãn T1 cho độ tương phản tốt giữa các mô mềm, trong khi giãn T2 nhạy cảm với các bệnh lý như phù nề và nhồi máu MRI sử dụng các trình tự gradient và xung RF khác nhau để điều chỉnh các thông số và đo lường tác động, cho phép tạo ra hình ảnh với độ tương phản tốt giữa các mô Tuy nhiên, MRI không thể tạo ra hình ảnh xương do hàm lượng nước thấp trong xương, dẫn đến tín hiệu yếu Do thiết bị phức tạp hơn, chi phí MRI cao hơn so với CT.
MR có thể được lập trình để nghiên cứu thành phần hóa học của các mô.
MR khai thác thực tế rằng môi trường hóa học của hạt nhân bị ảnh hưởng bởi trường cục bộ, dẫn đến sự thay đổi nhỏ trong tần số Larmor tùy thuộc vào các hợp chất Sự thay đổi này có thể được đo đạc một cách chính xác Mặc dù thông tin quang phổ ban đầu có thể không mang tính cục bộ và được thu hồi từ toàn bộ mẫu, nhưng các kỹ thuật hiện đại hiện nay cho phép tạo ra hình ảnh quang phổ với độ phân giải khoảng 1 cm.
Đo chức năng não bằng phương pháp fMRI dựa trên lưu lượng máu cho phép đánh giá hoạt động não bộ Tăng cường lưu lượng máu ở các khu vực cụ thể của não có thể dẫn đến nhận thức tích cực và cải thiện khả năng nhận thức.
Hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) của não cho thấy các mức độ khác nhau từ tiểu não đến đỉnh các tâm thất bên Máu có tính từ nhờ chứa hemoglobin, một hợp chất sắt, và sự hiện diện của sắt trong MRI làm giảm tín hiệu do thay đổi trong từ trường Khi não hoạt động, lưu lượng máu tăng, cung cấp oxy, nhưng sự oxy hóa hemoglobin cũng làm thay đổi tính chất từ, dẫn đến thay đổi tín hiệu nhỏ (~3%) Vì lưu lượng máu thay đổi nhanh chóng, cần sử dụng trình tự chụp ảnh nhanh, dẫn đến chất lượng hình ảnh thấp hơn so với ảnh MR thông thường Tuy nhiên, các khu vực có lưu lượng máu tăng có thể được xác định từ hình ảnh, tạo ra một phương pháp không xâm lấn để đo chức năng não, có ứng dụng rộng rãi trong khoa học thần kinh và lâm sàng, như khoanh vùng khu vực chức năng quan trọng trong phẫu thuật não.
Xử lý và phân tích hình ảnh
Số hóa
Ảnh kỹ thuật số cơ bản là mảng của các số, được chia thành các phần tử với trạng số hữu hạn cho cường độ ánh sáng và không gian Cường độ ánh sáng thường được lượng tử hoá đến 256 cấp độ, tương ứng với 8 bit thông tin Mỗi điểm ảnh có thể có giá trị từ 0 (màu đen) đến 255 (màu trắng) hoặc bất kỳ sắc thái nào giữa chúng Mặc dù mắt người chỉ có thể phân biệt ít hơn 100 mức độ màu, nhưng xử lý ảnh kỹ thuật số có thể nhận diện nhiều cấp độ hơn, thậm chí lên đến 65.536 mức độ màu trong một số hình ảnh y tế Khi số lượng mức lượng tử quá ít trong khu vực mịn màng, hiện tượng "đường nét sai" có thể xuất hiện Trong hình ảnh hai chiều, các yếu tố không gian được gọi là điểm ảnh, trong khi trong hình ảnh ba chiều, chúng được gọi là voxel.
Các trường thấy được của một bức ảnh xác định phạm vi không gian đã được ghi lại Khi các trường xem được lấy mẫu, không gian bên trong trở thành rời rạc và được phân chia thành một ma trận điểm ảnh Đối với hình ảnh ba chiều, cần quy định thêm một chiều nữa, đó là độ dày của mỗi lát cắt Kích thước của mỗi điểm ảnh được tính bằng cách chia trường nhìn cho kích thước của ma trận.
Trong bài kiểm tra tự đánh giá này, giả sử có một bức ảnh với diện tích vùng nhìn thấy là 24 cm² Nếu kích thước ma trận là 256 × 256 và lát cắt dày 1.5 mm, câu hỏi đặt ra là kích thước của voxel sẽ là bao nhiêu?
Kích thước voxel thường bị nhầm lẫn với độ phân giải, trong khi độ phân giải là thước đo độ chi tiết trong ảnh, xác định khả năng phân biệt hai vật thể khi chúng gần nhau Khoảng cách tối thiểu giữa hai vật thể mà vẫn có thể nhìn thấy riêng biệt được gọi là độ phân giải; nếu chúng gần nhau hơn mức này, chúng sẽ tạo thành một vết mờ Độ phân giải cũng phản ánh chất lượng hình ảnh, bên cạnh các yếu tố như độ tương phản và nhiễu Độ tương phản là sự khác biệt về cường độ giữa hai khu vực gần nhau; độ tương phản cao giúp dễ dàng nhận diện ranh giới Nhiễu trong hình ảnh tương tự như tiếng ồn trong âm thanh, làm biến dạng tín hiệu, và được định nghĩa là sự khác biệt giữa giá trị thực và giá trị đo Nhiễu thường xuất hiện dưới dạng đốm ngẫu nhiên, gây ra do cường độ hình ảnh không chính xác tại một số điểm Để đo lường sự thay đổi không mong muốn trong cường độ hình ảnh, người ta thường sử dụng khái niệm đồng nhất.
Cải thiện chất lượng hình ảnh
Xử lý máy tính có thể cải thiện chất lượng hình ảnh bằng cách điều chỉnh cường độ để nâng cao độ tương phản Để hiểu rõ về độ tương phản, cần xem xét biểu đồ cường độ, nơi đếm số lượng điểm ảnh tại mỗi cường độ màu Nếu biểu đồ tập trung ở một phần của dải màu xám, độ tương phản sẽ kém; nếu ở mức cao, hình ảnh sẽ dư sáng, và nếu ở mức thấp, hình ảnh sẽ thiếu sáng Độ tương phản tốt nhất xảy ra khi biểu đồ cân bằng, cho phép sử dụng dải tương phản đầy đủ Ngoài ra, lọc tuyến tính cũng là một phương pháp hiệu quả để tăng cường hình ảnh, thông qua việc sử dụng các mảng số (kernel) trên hình ảnh Quá trình này, gọi là tích chập rời rạc, xác định giá trị mới cho mỗi điểm ảnh dựa trên tổng kết quả từ các phần tử tương ứng.
Biểu đồ cường độ trong Hình 12.27 cho thấy sự xuất hiện của hình ảnh liên quan đến độ sáng và độ tương phản, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nâng cao độ tương phản để cải thiện chất lượng hình ảnh.
Ví dụ, một bộ lọc làm mịn đơn giản có thể được sử dụng để làm giảm nhiễu trong một hình ảnh Các bộ lọc nhân là:
Khi áp dụng nhân lọc, giá trị của mỗi điểm ảnh trong hình ảnh sẽ được thay thế bằng trung bình của 9 giá trị pixel xung quanh Quá trình này giúp làm mượt hoặc làm mờ hình ảnh, đồng thời giảm thiểu nhiễu hiệu quả.
Mask coefficients showing coordinate arrangement
Pixels of image section under mask Image origin
Hình 12.28 Linear filtering with discrete convolution (1).
Bạn có thể cải thiện độ sắc nét của hình ảnh bằng cách sử dụng lọc tuyến tính thông qua kỹ thuật mặt nạ không sắc nét, có nguồn gốc từ xử lý ảnh trong phòng tối Kỹ thuật này hoạt động bằng cách chụp một bức ảnh và sau đó trừ đi một phiên bản mờ của nó, giúp làm nổi bật các chi tiết trong hình ảnh.
Nhân này sắc nét vì nó nhấn mạnh sự khác biệt giữa các điểm ảnh và điểm gần đó.
Hình 12.29 minh họa một ví dụ về hình ảnh bộ não, bao gồm hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) phù hợp (A) và hình ảnh chồng (B) cùng với hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) từ cùng một chủ đề, thể hiện rõ cấu trúc và chức năng tương ứng của não (Xem tấm màu.)
Nhiệm vụ chính trong việc định lượng hình ảnh bao gồm đăng ký hình ảnh và phân đoạn Đăng ký hình ảnh là quá trình sắp xếp các hình ảnh để xác định sự chuyển đổi tốt nhất giữa hai hình ảnh, nhằm đạt được sự tương đồng về cấu trúc và giải phẫu Quá trình này bao gồm ba yếu tố chính: phương pháp chuyển đổi, phương pháp định lượng "phù hợp", và phương pháp tối ưu Tối ưu hóa bắt đầu từ một dự đoán ban đầu về sự liên kết của các hình ảnh, sau đó điều chỉnh các dự đoán để nâng cao mức độ "phù hợp" Ví dụ, sự phù hợp có thể được đo bằng tương quan cường độ giữa các ảnh.
Các phương pháp chuyển đổi đơn giản nhất không thay đổi hình dạng, chỉ khác nhau bởi sự quay và dịch chuyển Trong trường hợp này, tối ưu hóa tìm kiếm tập trung vào việc tìm góc quay tốt nhất và điều chỉnh thông số dịch chuyển cho phù hợp Biến đổi không cứng (Nonrigid) cho phép cong vênh và yêu cầu nhiều thông số hơn để tối ưu hóa hiệu quả.
Việc sử dụng đăng ký hình ảnh lần đầu tiên được áp dụng trong phẫu thuật hỗ trợ hình ảnh, với trường hợp nổi bật là vào năm 1895 tại Birmingham, Anh, khi chụp x-quang được sử dụng để xác định vị trí kim gãy trong tay một bệnh nhân Đăng ký hình ảnh không chỉ dừng lại ở đó mà còn có nhiều ứng dụng khác, như việc căn chỉnh hình ảnh từ các phương thức khác nhau, ví dụ như hình ảnh cấu trúc từ MRI và hình ảnh chức năng từ PET, để cung cấp thông tin bổ sung Các nghiên cứu fMRI cần sự liên kết hình ảnh do chuyển động của đối tượng trong quá trình chụp Khi hình ảnh đại diện cho cùng một chủ đề mà không có sự thay đổi về hình dạng, chỉ cần một biến đổi không bẻ cong, nhưng nếu hình ảnh đại diện cho các đối tượng khác nhau hoặc khi hình dạng thay đổi, như trong sự phát triển của thai nhi, thì cần biến đổi nonrigid Phân khúc là quá trình xác định các cấu trúc nhỏ hơn trong hình ảnh, với các pixel được dán nhãn theo cấu trúc mà chúng thuộc về, dựa trên sự đồng nhất của chúng.
HÌnh 12.30 Hình ảnh cộng hưởng từ tính của một bộ não cho thấy cường độ ban đầu (A), ngang (B) và dọc (C) cạnh
(tối được tiêu cực, tươi sáng là dương tính), và cạnh độ lớn (D).
Một cấu trúc có thể nổi bật hơn so với khu vực xung quanh nhờ vào độ sáng của nó Các tiêu chí dán nhãn có thể được xác định dựa trên mức độ sáng này.
Phân khúc ảnh có thể được thực hiện đơn giản bằng cách sử dụng ngưỡng, trong đó tất cả các điểm ảnh có độ sáng vượt quá giá trị ngưỡng sẽ được xác định là thuộc về đối tượng Giá trị ngưỡng này có thể được thiết lập một cách thủ công hoặc tự động, với phương pháp tự động thường dựa trên tiêu chí tối ưu hóa biểu đồ.
Cạnh giữa các vùng đồng nhất có thể được tính toán bằng cách sử dụng bộ lọc tuyến tính, giúp trích xuất các tính năng như cạnh từ hình ảnh.
Giá trị -1, 0, 1 sẽ tạo ra cường độ cao ở các cạnh thẳng đứng, với giá trị dương hoặc âm tùy thuộc vào hướng chuyển đổi từ bóng tối sang ánh sáng hoặc ngược lại.
Các phản hồi từ 1 1 1 sẽ tạo ra các cạnh ngang có thể kết hợp để hình thành các cạnh ở mọi góc nhìn, từ đó tạo ranh giới giữa các vùng cho phép phân đoạn Đăng ký cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân đoạn, đặc biệt là trong tập bản đồ - phân đoạn cơ bản Tập bản đồ, khi được phân đoạn đầy đủ, có thể được thực hiện thủ công và khi được đăng ký với hình ảnh đối tượng, sẽ cho phép ghi nhãn các bản đồ áp dụng cho các đối tượng, tạo ra một hình ảnh rõ ràng hơn.
hoàn toàn phân đoạn trong một bước.
Công nghệ tạo ảnh bên trong cơ thể ở tỉ lệ hiển vi đã có những bước phát triển mạnh mẽ, nâng cao khả năng chẩn đoán và điều trị Các phương thức tạo ảnh này đa dạng, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, góp phần quan trọng trong y học hiện đại.
■X-ray và CT cung cấp cửa sổ đầu tiên về bên trong cơ thể con người, cho ta cái nhìn về cấu trúc.
■Siêu âm thì nhanh, gọn, không tốn kém, cung cấp ảnh động của cấu trúc và vận tốc.
■Nuclear medicine cho phép chức năng tạo ảnh trong cơ thể, sử dụng pha trộn phóng xạ để định lượng các thay đổi sinh lý của bệnh.
Kính hiển vi đã phát triển qua hàng trăm năm, sử dụng công nghệ tạo ảnh huỳnh quang và đồng tiêu, giúp chúng ta quan sát cấu trúc và chức năng ở tỉ lệ vi mô cũng như trong không gian ba chiều.
■Nội soi mang 1 camera vào bên trong cơ thể để tạo ảnh cấu trúc bên trong nhằm phục vụ cho chẩn đoán và phẫu thuật.
■MRI là phương thức linh hoạt nhất, cung cấp cấu trúc và chức năng theo cách đã được lập trình trước.
