Hình ảnh y học là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hình ảnh y học

Hình ảnh y học (medical imaging) là tập hợp các phương pháp sử dụng sóng cơ học, bức xạ điện từ hoặc đồng vị phóng xạ để ghi lại cấu trúc giải phẫu và chức năng sinh lý của cơ thể con người. Các kỹ thuật này cung cấp ảnh hai chiều hoặc ba chiều, cho phép bác sĩ chẩn đoán, theo dõi tiến triển bệnh và đánh giá hiệu quả điều trị mà không cần can thiệp xâm lấn.

Quá trình tạo ảnh y học gồm phát sinh, truyền và thu tín hiệu (photon, sóng âm, sóng radio) qua các mô khác nhau, sau đó tái tạo thành hình ảnh được hiển thị và phân tích trên hệ thống máy tính. Thông tin thu được không chỉ là hình thái mà còn bao gồm dữ liệu chức năng như lưu lượng máu, trao đổi chất, hoạt động thần kinh và nhiệt độ mô.

Mục tiêu chính của hình ảnh y học là tối ưu hóa độ tương phản giữa các mô, đạt độ phân giải cao và giảm liều phơi nhiễm (với các kỹ thuật dùng bức xạ). Ảnh y học đóng vai trò công cụ không thể thiếu trong chẩn đoán ung thư, bệnh tim mạch, đột quỵ và nhiều bệnh lý khác (RadiologyInfo).

Lịch sử phát triển

Năm 1895, Wilhelm Röntgen phát hiện tia X khi quan sát luồng sáng từ ống chân không, mở đầu kỷ nguyên X-quang và là bước ngoặt cho y học hình ảnh. Ảnh X-quang đầu tiên của bàn tay vợ ông đã chứng minh khả năng nhìn xuyên thấu các mô mềm sang xương và kim loại.

Đến năm 1972, Sir Godfrey Hounsfield và Allan Cormack hợp tác phát triển máy chụp cắt lớp vi tính (CT), ứng dụng thuật toán biến đổi Radon và phương pháp Filtered Back Projection để tái tạo mặt cắt ngang cơ thể từ nhiều tia X chiếu qua ở góc khác nhau.

Năm 1977, Paul Lauterbur và Sir Peter Mansfield giới thiệu cộng hưởng từ hạt nhân (MRI), sử dụng tín hiệu radio từ proton trong từ trường mạnh để ghi lại ảnh mô mềm với độ tương phản cao mà không dùng tia X. Trong thập niên 1980 – 1990, siêu âm Doppler và chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) ra đời, bổ sung khả năng ghi ảnh chức năng và mạch máu (WHO).

Các phương pháp chính

• X-quang (Radiography): sử dụng chùm tia X xuyên qua cơ thể, phần mô hút tia nhiều xuất hiện màu sáng, phần rỗng hoặc mô mềm ít hút tia xuất hiện tối. Ứng dụng: chẩn đoán gãy xương, viêm phổi, đánh giá răng hàm mặt.
• Chụp cắt lớp vi tính (CT): chụp tia X từ nhiều góc, tái tạo ảnh mặt cắt ngang hoặc ba chiều. Ứng dụng: phát hiện khối u, đánh giá chấn thương nội tạng, đánh giá mạch máu có hoặc không có thuốc cản quang.
• Cộng hưởng từ (MRI): dùng sóng radio trong từ trường mạnh, phân biệt mô mềm với độ tương phản cao. Ứng dụng: khảo sát não bộ, tủy sống, cơ khớp, tổn thương gan – mật và tim.
• Siêu âm (Ultrasound): sử dụng sóng âm tần số cao, an toàn, giá thành thấp. Ứng dụng: siêu âm thai, tim mạch (echocardiography), gan, thận và khảo sát mô mềm.
• Chụp cắt lớp phát xạ positron (PET): sử dụng chất đồng vị phóng xạ (FDG) để ghi hình chuyển hóa mô. Kết hợp PET/CT hoặc PET/MRI cho ảnh giải phẫu – chức năng đồng thời, ứng dụng trong ung thư và thần kinh.

Nguyên lý vật lý

Nhiễm xạ tia X tuân theo định luật Beer–Lambert, mô tả cường độ tia X giảm theo độ dày mô:

$I = I_0 e^{-μ x}$ với I là cường độ tia X đi qua mô, I₀ là cường độ ban đầu, μ là hệ số suy giảm và x là độ dày mô.

CT scan sử dụng biến đổi Radon và thuật toán FBP (Filtered Back Projection) hoặc tối ưu hóa giảm thiểu để tái tạo mặt cắt:

$\mathcal{R}f(\theta,s)=\int_{-\infty}^{+\infty}f(x\cos\theta+y\sin\theta)\,dt$

Siêu âm dựa trên nguyên lý phản xạ sóng âm tại giao diện mô có trở kháng khác nhau. Doppler ultrasound đo hiệu ứng Doppler để đánh giá vận tốc và hướng dòng chảy máu:

$f_D = \frac{2 v f_0 \cos\theta}{c}$ với fD là thay đổi tần số, v là vận tốc máu, f₀ là tần số đầu dò và θ là góc giữa chùm sóng và hướng dòng máu.

Thu nhận và tái tạo ảnh

Quy trình thu nhận hình ảnh y học bao gồm giai đoạn phát tín hiệu (photon, sóng âm, sóng radio), truyền tín hiệu qua mô và thu lại tại detector hoặc đầu dò. Detector hiện đại sử dụng công nghệ số (digital detector) thay thế film truyền thống, cho phép xử lý hình ảnh nhanh và linh hoạt hơn.

Trong CT, đầu dò mảng (detector array) ghi lại tín hiệu tia X sau khi xuyên qua cơ thể, dữ liệu số hóa sau đó được chuyển vào bộ xử lý trung tâm để tái tạo mặt cắt bằng thuật toán Filtered Back Projection hoặc iterative reconstruction. Kết quả tái tạo cho độ phân giải gian vi (sub-millimeter) và khả năng hiển thị mô mềm với tương phản tốt.

Ở MRI, tín hiệu thu được từ receiver coil chuyển đổi dao động điện từ thành dữ liệu số, sau đó áp dụng Fourier transform hai chiều (2D FT) để tái tạo ảnh. Pulse sequence như spin-echo, gradient-echo và echo-planar imaging (EPI) quyết định độ tương phản T1 hoặc T2, tốc độ thu nhận và độ phân giải không gian.

• CT: multi-slice, cone beam, dual-energy.
• MRI: T1-weighted, T2-weighted, FLAIR, DWI (diffusion-weighted imaging).
• Siêu âm: B-mode (brightness), M-mode (motion), Doppler màu.

Ứng dụng lâm sàng

X-quang và CT là phương pháp ưu tiên trong chẩn đoán chấn thương xương khớp, gãy xương và tổn thương nội tạng cấp tính. CT mạch máu (CT angiography) cho phép đánh giá tắc nghẽn, dị dạng hoặc phình động mạch mà không cần can thiệp xâm lấn (RadiologyInfo).

MRI nổi bật trong đánh giá não bộ (đột quỵ, khối u, đa xơ cứng), cột sống (thoát vị đĩa đệm, chèn ép tủy) và cơ khớp (rách dây chằng, viêm gân). Hình ảnh chức năng fMRI đo tín hiệu BOLD (blood-oxygen-level dependent) cho bản đồ hoạt động não khi thực hiện nhiệm vụ nhận thức.

Siêu âm tim (echocardiography) sử dụng sóng âm khảo sát cấu trúc và chức năng tim, đánh giá phân suất tống máu (EF), van tim và áp suất động mạch phổi. Doppler màu giúp xác định hướng và tốc độ dòng chảy máu, hữu ích trong chẩn đoán hở van và tắc nghẽn mạch.

• PET/CT hoặc PET/MRI: đánh giá chuyển hóa glucose của khối u, phân giai đoạn ung thư và theo dõi đáp ứng điều trị.
• SPECT: khảo sát chức năng thận, gan và tưới máu cơ tim.
• Ảnh vi mạch (micro-CT, micro-MRI) trong nghiên cứu tiền lâm sàng.

An toàn và bảo hộ

Với các kỹ thuật dùng bức xạ (X-quang, CT, PET), nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) yêu cầu giảm liều bệnh nhân và nhân viên y tế. Sử dụng tấm chắn chì, bảo hộ cá nhân và đo liều thường xuyên bằng dosimeter cá nhân (WHO IR).

MRI, dù không dùng bức xạ ion hóa, có nguy cơ từ trường mạnh gây nguy hiểm cho bệnh nhân mang thiết bị kim loại (máy tạo nhịp tim, stent) và nhân viên. Chống chỉ định MRI bao gồm máy tạo nhịp không MRI-compatible, implant điện tử và dị vật kim loại trong mắt.

Siêu âm và MRI thường an toàn với hầu hết đối tượng, tuy nhiên phải lưu ý nhiệt độ mô tăng khi dùng sóng cao tần hoặc công suất cao, đặc biệt trong thai nhi và mô nhạy cảm. Quản lý nhiệt độ và công suất đầu dò là bắt buộc.

Đảm bảo chất lượng và tiêu chuẩn

Đảm bảo chất lượng hình ảnh y học bao gồm kiểm tra định kỳ hiệu chuẩn thiết bị, xác nhận độ tuyến tính của detector và đánh giá độ nhiễu ảnh. Tiêu chuẩn IEC 61223 quy định quy trình kiểm định cho X-quang và CT, trong khi IEC 60601-2-33 dành cho MRI và IEC 60601-2-37 dành cho siêu âm.

Chuẩn danh dữ liệu ảnh theo định dạng DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) và tích hợp PACS (Picture Archiving and Communication System) giúp lưu trữ, truy xuất và chia sẻ ảnh nhanh chóng. Hệ thống cần tuân thủ HL7 để tích hợp với hồ sơ sức khỏe điện tử (EHR).

Chứng nhận FDA (Mỹ) và CE (EU) cho thiết bị y tế hình ảnh lập pháp yêu cầu đạt tiêu chuẩn an toàn cơ khí, điện và hiệu suất chẩn đoán trước khi đưa vào sử dụng lâm sàng.

Xu hướng tương lai

Trí tuệ nhân tạo và học sâu (deep learning) đang được tích hợp vào phân tích hình ảnh y học, tự động hóa phát hiện tổn thương, đánh giá kích thước khối u và phân loại hình thái. Các thuật toán CNN (Convolutional Neural Network) cho kết quả tương đương hoặc vượt chuyên gia trong nhiều thử nghiệm lâm sàng (RSNA AI).

Ảnh đa mô thức (multimodal imaging) kết hợp CT–PET, MRI–PET hoặc MRI–ultrasound fusion hỗ trợ bác sĩ đồng thời xem cấu trúc và chức năng, tăng độ chính xác chẩn đoán và lập kế hoạch điều trị.

Công nghệ di động (mobile imaging) và siêu âm cầm tay (point-of-care ultrasound) đang lan rộng trong cấp cứu, chăm sóc tại nhà và vùng xa, cho phép chẩn đoán tức thì và giảm tải cho hệ thống y tế.

Tài liệu tham khảo

• RadiologyInfo.org. “What is Medical Imaging?” radiologyinfo.org
• World Health Organization. “Nuclear Medicine and Diagnostic Imaging.” who.int
• IEC. “IEC 61223: Evaluation and routine testing in medical imaging departments.”
• IEC. “IEC 60601-2-33: MRI Equipment.”
• IEC. “IEC 60601-2-37: Ultrasound Equipment.”
• RSNA. “Artificial Intelligence in Radiology.” rsna.org
• European Society of Radiology. “ESR iGuide: Decision Support in Imaging.” myesr.org