Bài giảng Công nghệ chẩn đoán hình ảnh

Mục lục
12.1 Mở đầu....................................................................................02
12.2 Tia X và CT.............................................................................07
12.2.1 Chụp X-quang thơng thường……………………....08
12.2.2 CT………………………………………………….10
12.3 Siêu âm hình ảnh…………………………………………….13
12.3.1 Cơng 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 ảnh…………………………………33
12.7.1 Số hóa………………………………………...........34
12.7.2 Cải thiện chất lượng hình ảnh……………………..35
Tổng kết…………………………………………………………..40
Tài liệu tham khảo………………………………………………40
Phân công dịch:
Nguyễn Anh Tuấn: trang 1-20, 44-46
Giang Thành Nguyên: trang 21-40, 41-43

1


12 Bioimaging

MỤC TIÊU HỌC TẬP
Sau khi đọc xong chương này, bạn nhận được:
■
■

■

■

Làm quen với cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh hiện nay.
Hiểu được nguyên lý phía sau tia X, siêu âm, y học hạt nhân, quang học,
và chụp cộng hưởng từ (MRI).
Làm quen với một số hệ thống và các ứng dụng y tế của cơng nghệ hình
ảnh.
Hiểu được các vấn đề cơ bản về phân tích và xử lý hình ảnh kỹ thuật số.
.

12.1

Mở đầu
Cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh đã tạo nên 1 cuộc cách mạng hóa y học và
sinh học bằng cách cho phép chúng ta nhìn thấy bên trong cơ thể, qua đó giúp
hình dung được cấu trúc sinh học và chức năng ở các cấp độ vi mơ. Hình ảnh là
đơn vị đại diện cho các tính chất đo lường thay đổi theo khơng gian (hoặc là
thời gian). Hình ảnh có thể cung cấp thơng tin chi tiết về cấu trúc sinh học;
những hình ảnh hiệu quả nhất cho biết thông tin chức năng tốt, cho phép ghi lại
những tiến trình cấp độ vi mơ hoặc phân tử, hoặc các tính chất vật lý (chẳng
hạn như độ đàn hồi hoặc nhiệt độ). Các phương pháp để hình dung và định
lượng các thuộc tính hiện nay có sẵn tại cấp độ vĩ mơ (tức là, chúng ta có thể
nhìn thấy được bằng mắt thường) và cấp độ vi mơ. Thơng tin này có thể được

sử dụng trên lâm sàng để chẩn đoán và theo dõi điều trị cũng như trong khoa
học để hiểu về cấu trúc, sinh lý học lúc bình thường và lúc khác thường.
Công nghệ đã mang lại những thay đổi đáng chú ý trong chẩn đốn hình ảnh
(Hình 12.1). Biểu đồ gen có thể được chụp lại bằng chụp cắt lớp phát xạ
Positron (PET) – một phương pháp chẩn đốn hình ảnh dựa trên phát xạ khi
tiêm đồng vị phóng xạ đặc biệt- kết hợp với phương pháp di truyền học. Hoạt
động của não có thể được chụp lại với MRI (fMRI), và thơng tin đó có thể
được sử dụng để phẫu thuật thần kinh 1 cách chuẩn xác. Các tác động cơ học
của tim có thể được vẽ lại thành sơ đồ bằng cách sử dụng sóng âm thanh tần số
cao (siêu âm); những sơ đồ này xác định khu vực chấn thương sau một cơn đau
tim. Cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh là một cơng cụ vơ cùng thiết yếu trong y
học.

2


3


A

B

C

Hình 12.1 Ví dụ về các cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh mới. A. ảnh cắt ngang của bụng thu được với tia X sử dụng chụp cắt lớp vi
tính. B. Chức năng chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI; màu) chồng lên trên MRI giải phẫu. Ảnh từ nguồn Tiến sĩ Jody
Culham. C. Positron cắt lớp phát xạ quét thu được từ một bộ não người bình thường. Ảnh từ nguồn Viện Lão khoa
Quốc gia. (Xem tấm màu.)

Hình ảnh được chụp theo khơng gian, nên cho phép bác sĩ có thể giới hạn lại
khu vực có hiện tượng sinh học bất thường để có thể kiểm tra theo khơng gian
và thời gian.
Có nhiều cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh trong khoa học và chẩn đốn lâm
sàng. Mỗi một cơng nghệ có hạn chế khác nhau: Một phương pháp cụ thể sẽ có
chất lượng thấp, thời gian nhận hình ảnh lâu, tốn kém hoặc khơng thích hợp
cho tất cả bệnh nhân. Tập hợp tất cả các lợi thế cho một công nghệ chẩn đốn
hình ảnh cụ thể (ví dụ như, chất lượng cao, nhanh hơn, rẻ hơn, hoặc động) sẽ
làm cho nó phù hợp trong các tình huống thích hợp. Các phương thức khác
nhau có hiệu quả qua thời gian khác nhau, và do tính chất y học làm nền tảng
cho tiến trình đó có thể đo ra cấu trúc và chức năng khác nhau (Bảng 12.1).
Bảng 12.1 Đặc điểm của các cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh
Millimeter resolution

×

×

×

×

×

×

×
×

Micron resolution

×

Millisecond resolution

×

Surface
×

3D

Blood flow
Molecular

×

×

×

×

Projection

Structure

×

×

×

×

×

×

×

×

×
×

×

×
×

×

×

×

×

X-ray sMRI fMRI Ultrasound SPECT PET Endoscopy

×

×

×

×

×

×

Microscopy Confocal MRS
microscopy

Ghi chú: Đây là một bản tóm tắt một số các chức năng chính của các phương thức hình ảnh được thảo luận trong chương này liên quan đến
độ phân giải theo khơng gian và thời gian, loại hình theo khơng gian, và các loại phép đo thực hiện. sMRI: chụp cộng hưởng từ cấu trúc;
fMRI: hình ảnh cộng hưởng từ chức năng; SPECT: phát xạ photon đơn chụp cắt lớp vi tính; PET: chụp cắt lớp phát xạ positron; MRS: từ
quang phổ cộng hưởng; 3D: ba chiều.

4


Hình 12.2

Minh họa bằng Vesalius của một mặt cắt ngang qua não từ năm 1543.

Hầu hết các công nghệ chẩn đốn hình ảnh hiện nay đều là kỹ thuật số; hình
ảnh được truyền bởi máy tính tạo ra từ các hình ảnh cá nhân hoặc các pixel
(điểm ảnh). Kỹ thuật số có thể dễ dàng xử lý hình ảnh nhằm nâng cao chất

lượnanhrtuwj tính tốn các phép đo và lấy ra những phần đặc trưng nổi bật.
Mặc dù có sự tương đồng trong các dạng hình ảnh kỹ thuật số, nhưng có nhiều
cách thức khác nhau để tạo ra hình ảnh. Nói chung, một nguồn năng lượng
tương tác với các mục tiêu (chẳng hạn như cơ thể con người) và sản sinh ra
một tín hiệu. Năng lượng có thể đến từ các electron, song siêu âm, ánh sáng, xquang, hoặc thậm chí là tần số vơ tuyến (RF). Đầu dị cần thiết để chuyển đổi
tín hiệu sang một dạng đo lường được, chẳng hạn như một điện áp. Thông
thường, đây là điều cần thiết để đưa vật liệu tương phản vào đối tượng để cung
cấp một tín hiệu khác biệt làm nổi bật một cấu trúc hoặc chức năng cụ thể.
Trước khi cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh ra đời, hình vẽ được sử dụng để ghi
lại cấu trúc sinh học. Andreas Vesalius, bác sĩ người Bỉ đồng thời là nhà giải
phẫu học ở thế kỷ 16, mang hình ảnh đến một cấp độ mới với bản dựng hình
chi tiết và chính xác của mình dựa trên sự mổ xẻ (Hình 12.2). Hình vẽ là cách
lưu giữ chính cho đến khi các phát minh máy chụp ảnh trong thế kỷ 19 ra đời
(Hình 12.3). Bởi vì nó cho phép ghi lại hình ảnh, máy ảnh là một bước đầu tiên
trong cuộc cách mạng cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh. Cơng nghệ chụp ảnh đã
sớm kết hợp với kính hiển vi để ghi lại hình ảnh của các tế bào (Hình 12.4).
Việc phát hiện ra tia X vào cuối thế kỷ thứ 19 đã trực tiếp dẫn đến cách đầu
tiên để nhìn thấy bên trong cơ thể con người. Một tia X có khả năng tạo một
hình ảnh trên phim, cho phép hình ảnh qua tia X có thể được ghi và lưu lại.
Theo sau sự phát triển này là một cuộc cách mạng trong cơng nghệ chẩn đốn
hình ảnh chính là sự phát triển của nhiều phương thức tạo hình mới. Kỹ thuật
kính hiển vi tiên tiến được phát triển, bao gồm cả

5


A

B

Hình 12.3

A

A. Hình ảnh đầu tiên của Joseph Niepce thực hiện trong năm 1827. B. Ví dụ về chụp ảnh kỹ thuật số hiện đại.

B

Heliopelta metii

Diatom X350

Hình 12.4

Ảnh chụp sinh học A Ảnh hiển vi ban đầu B. Thiết bị cần thiết để có được nó Ảnh Arthur E. Smith, in lại với sự
đồng ý của Lutterworth Press.

6


Bảng 12.2 Phát minh của cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh và người phát minh ra nó
1600s

Compound microscope

2D microstructure

Zacharias Janssen, Galileo Galilei, Robert Hooke,
and Antonie van Leeuwenhoek

1827

Photography

Surface structure

Joseph Nie´ pce

1840

Photomicrograph

2D microstructure

Albert Donne

1896

X-ray

2D (projected) structure

Wilhelm Roă ntgen

1946

MRS

Function

Felix Bloch and Edward Purcell

1957

Endoscope

2D internal structure

Basil Hirschowitz, Wilbur Peters, and Larry Curtiss

1957

Ultrasound

2D/3D dynamic structure

Tom Brown and Ian Donald

1957

Confocal microscope

3D microstructure

Marvin Minsky

1958

Gamma camera

2D (projected) function

Hal Anger

1963

SPECT

3D function

David Kuhl and Roy Edwards

1972

Computed tomography

3D structure

Godfrey Hounsfield and Allan Cormack

1973

PET

3D function

Michael Phelps

1973

MRI

3D structure, function

Paul Lauterbur and Peter Mansfield

Notes: 2D: Two dimensional; MRS: magnetic resonance spectroscopy; SPECT: single photon emission computed tomography; PET:
positron emission tomography; MRI: magnetic resonance imaging.

kính hiển vi điện tử, trong đó sử dụng các hạt điện tử (electrons) thay vì ánh
sáng nhìn thấy để tạo ra hình ảnh các đối tượng nhỏ hơn nhiều so với bước
sóng của ánh sáng (~500 µm). Cơng nghệ chẩn đốn mới bao gồm chụp ảnh
phóng xạ bằng tia gamma (mà có thể tạo ra hình ảnh từ các chất phóng xạ được
tiêm vào cơ thể), siêu âm, chụp PET, chụp cắt lớp vi tính (CT) để tạo ra hình
ảnh ba chiều từ X-quang, và MRI – phương pháp mà bây giờ cung cấp hình
ảnh bên trong cơ thể có độ phân giải cao mà khơng có sự ảnh hưởng của tia X
và bức xạ ion hóa. Những hình thức mới của cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh
được tạo ra bởi cơng trình của các nhà khoa học và kỹ sư (Bảng 12.2).

12.2 Tia X và CT
Năm 1895, Wilhelm Roentgen đã trình bày một báo cáo tới Hội Vật lí Y khoa
Würzburg ở Đức với tiêu đề “Một loại tia mới”. Khả năng đáng kình ngạc của
các tia đâm xuyên qua vật thể rắn được công nhận ngay lập tức thu hút sự tị mị:
Tia X có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh của các vật thể rắn bên trong cơ thể
(hình 12,5). Giải Nobel vật lý năm 1901 đầu tiên được trao cho Roentgen cho
công việc này. Giải thưởng này đã được trao trong lĩnh vực vật lý vì tầm quan
trọng của các tia là cơ bản, nhưng tia X sẽ chứng minh ý nghĩa quan trọng trong y
tế.

7

magnified
image at
detector

electron
beam
x-rays

sample

R1

R2

small target
x-ray
source

Hình 12.5

Hình ảnh tạo ra khi sử dụng tia X

Tia X là bức xạ điện từ với bước sóng vào khoảng 0.1 nanomet (Box 12.1).
Bởi vì các tia có đủ năng lượng để đánh bật điện tử ra khỏi các nguyên tử trong
vật liệu mà nó xuyên qua, chụp x-quang là một hình thức bức xạ ion hóa. Điện tử
bị thoát ra biến nguyên tử thành ion hoặc điện hạt; nếu tia x tiếp xúc với vật liệu
là mô con người, và các ion được tạo ra trong các mơ, các ion sau đó có thể gây
tổn hại các tế bào. Do các tổn hại có thể xảy ra, thời gian tia X tiếp xúc được

giảm tối thiểu đến mức chỉ thực sự cần thiết cho các chẩn đốn lâm sàng. Ngồi
ra, mức độ tiếp xúc được giới hạn trong khu vực cần thiết của cơ thể để giảm
thiểu các tác dụng phụ. 1
Chụp x-quang có hai tính chất hữu ích khi tạo ảnh. Đầu tiên, cơ thể con người
là trong suốt với tia X ở bước sóng nhất định (và năng lượng tương ứng): các tia
đi qua cơ thể, tuy nhiên, khi nó xuyên qua, nó được hấp thu một phần. Càng
nhiều tế bào trong đường đi của tia X — và độ dày đặc các mô càng lớn thì các
thành phần bức xạ bị hấp thụ càng nhiều. Chụp x-quang có năng lượng
"Goldilocks" cho tạo ảnh: bức xạ điện từ năng lượng cao hơn đi qua cơ thể mà
không bị hấp thụ đáng kể, và bức xạ với năng lượng thấp hơn sẽ được hấp thu
hoàn tồn. Thứ hai, chụp x-quang có khả năng xuất ra film chụp. Tính chất này
đóng một vai trị trong phát hiện của họ : Roentgen ghi lại sự hiện diện của nó
trên phim. Hình ảnh của tia X trước tiên được lưu trữ trên phim trước khi có
camera X- quang kỹ thuật số.Trong thực tế, màn hình huỳnh quang được sử
dụng ở phía trước của các máy dị (phim hoặc kỹ thuật số) để khuyếch đại tác
dụng của tia X (Hình 12.6).

12.2.1 Chụp x-quang thơng thường
Một tia X xun qua cơ thể sẽ xuất ra phim (hình 12.6). Một hình ảnh chụp xquang là một hình ảnh "tiêu cực": phim là tối hơn nơi cơ thể ít dày đặc và sáng
hơn nơi cơ thể là dày đặc hơn. Vùng tối xảy ra khi cơ thể có các nguyên tố nhẹ
hơn (chẳng hạn như thịt của chân bạn), cho phép các tia X có thể xâm nhập qua
1 The

biological hazards of ionizing radiation, as well as the use of these rays for treatment of
cancer , are described in Chapter 16

8


Box 12.1 Phổ điện tử

Phóng xạ là năng lượng truyền đi dưới dạng sóng. Mặt trời, ví dụ, phát ra bức xạ có thể thấy
bằng mắt thường, cũng như bức xạ có bước sóng ngắn hơn (tia cực tím) và bức xạ có bước
sóng dài hơn (bức xạ hồng ngoại). Tất cả các đối tượng phát ra bức xạ. Bức xạ nhiệt được phát
ra đúng vì nhiệt độ của một đối tượng; bước sóng chính của bức xạ sẽ giảm khi nhiệt độ đối
tượng tăng lên. Do đó, nhiệt độ các đối tượng có thể được ước lượng từ bức xạ nhiệt mà chúng
phát ra.

Hình 12.1 Hộp Thuộc tính của quang phổ điện từ. Ảnh từ nguồn của NASA.

Quang phổ điện từ là tập liên tục của tất cả các dạng của bức xạ điện từ, thường được trình
bày như là một đường phân chia thành các khu vực của bước sóng giảm (Hình Hộp 12.1).
Bước sóng của bức xạ có liên quan đến tần số của nó:
c
λ=
,
(Equation 1)
f
và năng lượng thực của bức xạ điện từ phụ thuộc vào tần số của nó:
E = hf,

(Equation 2)

trong đó c là vận tốc ánh sáng (299.792.458 m / s) và h là hằng số Plank (6,63 × 10-34 Js).
Mặc dù được đặc trưng bởi bước sóng, bức xạ điện từ cũng giống như một hạt: Mỗi photon
của bức xạ mang một năng lượng lượng tử:
E = hc/  .

(Equation 3)

Sóng vơ tuyến có bước sóng dài nhất, và được sử dụng để phát sóng phát thanh và truyền
hình (radio FM, ví dụ, sử dụng tần số giữa 88 và 108 MHz, trong đó 1 MHz bằng 10 6 Hz).
Sóng cực ngắn có bước sóng ngắn hơn; dao động trong khoảng từ 1 mm đến 1 m, với tần số
dao động giữa 300 MHz và 300 GHz. Chúng cũng được sử dụng cho truyền thông, và cho
truyền tải điện, như trong các lị vi sóng. Bức xạ hồng ngoại có bước sóng trong khoảng 1 mm
đến 750 nm; các bức xạ phát ra cao nhất bởi các cơ quan giữa 1 và 1.000 K (-272 đến 728◦C)
là hồng ngoại.


Mắt người có thể phát hiện một phạm vi hẹp của quang phổ điện từ: Các bước sóng từ 400
đến 700 nm tạo ra những thay đổi hóa học trong tế bào của võng mạc. Tế bào chuyên biệt
trong võng mạc phát hiện phạm vi của bước sóng nhìn thấy, con người có thể nhìn thấy màu
sắc từ tím (400-450 nm), màu xanh (450-490 nm), màu xanh lá cây (490-560 nm), vàng (560590 nm ), màu cam (590-630 nm), và màu đỏ (630-700 nm)
Tia cực tím (UV) bức xạ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy được, và do đó, mang
nhiều năng lượng hơn. Các tế bào trong da của con người bị ảnh hưởng của bức xạ tia cực tím,
mà có thể gây bỏng với tiếp xúc kéo dài. Tia gamma và tia X thậm chí có bước sóng ngắn hơn,
và tràn đầy năng lượng hơn, hơn là bức xạ tia cực tím. Bởi vì các bước sóng ngắn, tia X và tia
gamma sẽ đi qua hầu hết các chất, do đó hữu dụng cho tạo ảnh y tế. Nhưng chúng cũng có thể
gây ra những thay đổi hóa học, ví dụ như ion hóa, được gây ra bởi sự phóng của các electron
từ phân tử bởi bức xạ năng lượng cao này. Trong các mô của con người, ảnh hưởng của thời
gian ngắn, liều lượng thấp bức xạ ion hóa khơng đáng kể. Liều cao của bức xạ ion hóa có thể
gây ra tác dụng sinh học ngay lập tức, được gọi là nhiễm độc phóng xạ, với kích ứng và phá
hủy đến các mơ quanh đó, tương tự như đốt cháy. Tiếp tục tiếp xúc với liều thấp có thể gây ra
thiệt hại cho DNA, tạo đột biến dẫn đến bệnh trong các mô, đặc biệt là ung thư.

nó để phơi bày phim. Vùng ánh sáng trắng hay xảy ra khi cơ thể là nhiều, dày đặc các
nguyên tố nặng (như xương), cho phép ít hơn tia x để lộ phim. Các cường độ tia x- sẽ
giảm (giảm độc lực) theo các cấu trúc mà nó đi qua: Bằng cách này, một hình ảnh tia x
giống như một cái bóng. Q trình tia x thơng thường biến cấu trúc ba chiều của cơ thể
thành một hình ảnh hai chiều. Mỗi vị trí trên hình ảnh hai chiều đại diện cho sự xâm

nhập của tia X thơng qua cơ thể mà có độ dày khác nhau và các mô khác nhau của mật
độ khác nhau, trên một mặt phẳng. Loại hình ảnh, trong đó một cái bóng của một
X-ray tube
Filter
Collimator

Patient

X-ray

Anti-scatter
grid
Fluorescent
screen
Detector
Image created
at detector

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
(nhưng chỉ có các hạt đã hấp thụ năng lượng) được chuyển đổi thành bạc kim loại, trong đó xuất hiện như hạt
đen. Các hình ảnh được tạo ra trên phim (hay máy dị khác) là một phóng chiếu của mật độ của các đối tượng
ba chiều lên một hình ảnh hai chiều phẳng.


đối tượng ba chiều được tạo ra trên một mặt
phẳng, được gọi là một chiều.
Hình ảnh X-quang có thể cho thấy gãy xương
và đứt gãy trong xương, sâu răng ở răng, dung
dịch trong phổi, và ung thư vú. X-quang cung
cấp độ tương phản tốt khi có một sự khác biệt

trong mật độ của các mô, chẳng hạn như với
mô mềm và khơng khí, xương và mơ mềm,
hoặc nước và mơ mềm. Cấu trúc mơ mềm (ví
dụ, trong não hoặc bụng) khơng thay đổi nhiều
về mật độ và, do đó, khơng có nhiều tương
phản. Một trong những ứng dụng phổ biến
X
quang
ngực
cho
thấy
bong
bóng
khí
thũng
nhất của tạo ảnh tia X là tủ tia X (Hình 12.7),
Hình 12.7
trong phổi trái.
được sử dụng bởi các bác sĩ để tìm nhiễm
trùng trong phổi (viêm phổi), gãy trong xương
của khung xương sườn, và một số loại của
bệnh tim.
Mặc dù nó bao gồm các cấu trúc mà thay đổi khơng đáng kể trong sự hấp thụ
tia X, hình ảnh của hệ thống tiêu hóa có thể được tạo ra theo một cách khác.
Một tác nhân tương phản thường được bổ sung để tăng cường sự khác biệt về
mật độ trong cơ thể. Ví dụ, đường tiêu hóa có thể được tạo ảnh sau khi yêu
cầu bệnh nhân nuốt một phần tử barium, chẳng hạn như là một dung dịch có
chứa barium, mà làm cho bên trong của đường tiêu hóa đậm đặc hơn, hoặc
sáng hơn trên tia X. Ngoài ra, khơng khí có thể được đưa để làm đường bóng
tối. Sử dụng các phương pháp này, các bất thường nhỏ trong thành ruột, chẳng

hạn như túi thừa và khối u, có thể được thấy được. Tác nhân tương phản đang
được sử dụng rộng rãi trong các cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh. Các phần tử
dày đặc có thể cung cấp độ tương phản trong hình ảnh tia X : Các loại chất
tăng cường độ tương phản trong hình ảnh tạo ra bởi cơng nghệ hình ảnh
khác.X quang có thể chụp qua thời gian để thấy được sự thay đổi của cơ thể
Những tia X có được bằng cách sử dụng một màn hình huỳnh quang thay vì
phim.

12.2.2 CT
Hình ảnh tia X trải qua nâng cao hơn với sự phát triển của CT. Những phát minh
quan trọng dẫn đến CT là thuật tốn; nó nảy sinh từ một phương pháp tốn học đã
được áp dụng cho các kỹ thuật chụp X-Quang. Ý tưởng chính là để có tia X ở
nhiều góc độ khác nhau và sử dụng nhiều hình ảnh như vậy, mà đã được dùng để
tái tạo một hình ảnh ba chiều của cơ thể. Hình ảnh ba chiều này sau đó có thể
được trình bày như là mặt cắt hai chiều, trong đó chỉ rõ mối quan hệ của các mơ
trong cơ thể. Thay vì chiếu hoặc sử dụng bóng của mật độ, hình ảnh CT có thể
cung cấp cái nhìn chi tiết đầu tiên bên trong cơ thể. Godfrey Hounsfield là một kỹ
sư người Anh phát triển CT năm 1972 khi làm việc tại EMI. (EMI là công ty thu
âm của Beatles, những lợi nhuận khổng lồ của EMI đã giúp tài trợ cho sự phát
triển của CT.) Độc lập với đó, Allan Cormack, tại Đại học Tufts, đã phát triển toán
học cơ bản để tái xây dựng.


hình ảnh trong đầu những năm 1960. Hai
nhà phát minh đoạt giải Nobel Y học năm
1979 cho cơng việc này.

X-ray
source

Beam

Detectors

Motoriz
ed
tabl
e

Hình 12.8

Sơ đồ một hình ảnh cắt lớp vi tính

Hình 12.9

Bộ não con người qua lát cắt tia X

Trong một máy quét CT, bệnh nhân nằm
xuống trên một cái bàn, trong đó di
chuyển qua một lỗ hình trịn trong máy
qt (Hình 12.8). Máy phát tia X và các
thiết bị dò chuyển động theo một vòng
tròn xung quanh bệnh nhân và tạo ra một
hình ảnh của một mặt cắt ngang qua cơ
thể tại một thời điểm. Bàn di chuyển bệnh
nhân đến mỗi lát hình ảnh. Các kỹ thuật
tốn học tái xây dựng lại từ phép chiếu
được sử dụng để tạo ra một hình ảnh ba
chiều từ tất cả các dữ liệu thu thập được
(Box 12.2).

Tuy nhiên, độ tương phản của CT được
giới hạn trong mơ mềm, CT là khá linh
hoạt và có giá trị cho chụp ảnh phần đầu,
phổi, bụng, khung chậu, và các chi (Hình
12.9 và 12.10). Gần đây hơn, máy quét
CT xoắn ốc đã triển khai cho các tia X
liên tục di chuyển dọc theo một đường
xoắn ốc. Bằng cách này, những hình ảnh
ba chiều được tạo ra nhanh chóng với độ
phân giải sắc nét. Tốc độ cũng cho phép
tạo ảnh động của cấu trúc chuyển động,
chẳng hạn như trái tim.Tạo ảnh Micro CT
cũng đã được phát triển để cho phép tạo
ảnh của cấu trúc rất nhỏ và đặc biệt hữu
ích cho nghiên cứu y học ở động vật,
chẳng hạn như các loài gặm nhấm.


Hình 12.10

Hình ảnh của cấu trúc ba chiều cho thấy động mạch cảnh có nguồn gốc từ chụp cắt lớp vi tính. Hình ảnh được cung cấp
bởi GE Healthcare. (Xem tấm màu.)

Box 12.2 Reconstruction from projections
Khi tia X đi qua cơ thể, chúng được
hấp thu, hoặc suy yếu, bởi các mô.
Mức độ tia X suy giảm - cũng gọi là
mật độ hạt - phụ thuộc vào mật độ mô
và các thành phần của mô. Xương làm
suy giảm mạnh mẽ và hấp thụ hầu

hết các sự cố tia X; nước làm suy
giảm ít hơn nhiều. Do đó, mỗi loại mơ
(cơ bắp, mỡ, xương) có một mật độ hạt
đặc trưng.

The Fourier transform of this
function gives the values of F(u,
v) along the dashed line in the u,
plane
v
v

s
y
t

t
w
θ

x

θ

Để tính tốn các phần nhỏ của năng lượng tia x- xuyên thấu hoàn toàn qua các bệnh nhân, số
lượng của độ suy giảm do mỗi đối tượng trong đường đi tia X cần phải cộng vào với nhau.
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)
−
No = Nie
µ(x,y)ds
ray

Ảnh hưởng của độ suy giảm được đưa trên đường đi của tia sang. Phương trình này
được viết lại như sau:
Ni .
ln
µ(x, y)ds.
(Equation 2)
N =
o

ray

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 xây dựng lại từ các dự là để xác định các giá trị của μ tại mỗi vị trí trong các
đối tượng thực tế được ghi ảnh. Có nhiều cách để giải quyết cho các giá trị này. Nó tương tự
như một phiên bản phức tạp của trị chơi số Sudoku, trong đó các khoản phải tăng lên theo quy
định của dữ liệu. Một cách để giải quyết vấn đề là làm cho một dự đoán ban đầu ở từng giá trị

u


suy giảm và sau đó cẩn thận điều chỉnh những dự đoán cho đến khi tất cả các khoản phù hợp
Nó cũng chỉ ra rằng, nếu một tập hợp các dự báo về một hình ảnh được chụp ở cùng một
góc độ khác nhau với vị trí, t, biến đổi Fourier của điều này là bằng với biến đổi Fourier của

hình ảnh cùng một dịng ở cùng một góc độ. Về ngun tắc, với các hình chiếu dọc theo nhiều
góc độ, chúng ta có thể tái tạo lại các biến đổi Fourier (và do đó các hình ảnh chính nó) của
các lát. Trong thực tế, các thuật toán khác, sử dụng các mối quan hệ này, có thể được phát
triển.
Biết giá trị của μ tại nhiều lát qua cơ thể, chúng ta có thể tạo thành một hình ảnh ba chiều. Kỹ thuật máy
tính trực quan sau đó có thể được sử dụng để hiển thị các mối quan hệ phức tạp giữa các cấu trúc trong cơ
thể.

12.3 Siêu âm hình ảnh
Hình ảnh siêu âm dựa trên sự truyền sóng âm có tần số cao thơng qua mơ. Hình ảnh
siêu âm là nhanh chóng: Cấu trúc và chức năng có thể động được ghi lại từ các mô di
chuyển nhanh chóng, như một trái tim đang đập, và hình dung cùng một tốc độ mà
chúng xảy ra (điều này được gọi là tạo ảnh trong thời gian thực). Hình ảnh siêu âm này
cũng an tồn: Nó có thể được sử dụng trên hầu như các đối tượng, bao gồm cả phụ nữ
mang thai và những người bệnh nặng. Với công suất cao tập trung dầm, tuy nhiên, siêu
âm có thể cũng được sử dụng cho điều trị, chẳng hạn như cho việc phá huỷ sỏi thận.
Các máy thực hiện các hình ảnh siêu âm được xách tay và có thể được đưa một cách
nhanh chóng và trực tiếp cho bệnh nhân, khiến nó rất linh hoạt. Hình ảnh siêu âm rất
phù hợp cho cấp cứu vì nó thể thấy hình ảnh chảy máu bên trong và khoanh vùng
thương tích trên. Các hệ thống hình ảnh này cũng tương đối rẻ tiền. Một rào cản lớn, tuy
nhiên, đó là hình ảnh siêu âm là khó nhìn thấy xương và khơng khí (như ở phổi).

12.3.1 Cơng nghệ sản xuất hình ảnh
Vật liệu đặc biệt được sử dụng để tạo ra một xung siêu âm, thường được gọi là vật
liệu tinh thể áp điện. Tinh thể áp điện có thuộc tính đáng chú ý ở chỗ chúng sẽ rung
phản ứng với một tín hiệu điện, hay điện áp lái xe. Chúng còn làm việc ngược lại: Một
dao động nhận bởi các vật liệu sẽ tạo ra một điện áp. Đối với hình ảnh siêu âm, các tinh
thể này được tập trung sử dụng một hình dạng lõm để các sóng được tập trung ở một
hướng. Hơn nữa, các vật liệu được điều chỉnh để có một tần số hay cộng hưởng tần số
mà tại đó các vật liệu tự nhiên dao động trong phạm vi megahertz, từ 2 × 13 × 106 đến

106 sec-1 (hoặc Hz), hoặc 2-13 MHz. Các sóng âm trong dải tần số này được biết để
tương tác một cách an tồn với các mơ. Megahertz các tần số sóng âm là khơng thể
nghe được đối với con người; thính giác con người thường được giới hạn ở phạm vi
20-20,000 Hz.
Cấu trúc được phát hiện bởi tiếng vang của các sóng âm dội lại từ giao diện mơ,
chẳng hạn như đầu của một thai nhi (Hình 12.11) hoặc thành của tim. Tại mỗi giao
diện, chỉ là một phần của sóng được phản ánh; phần còn lại tiếp tục đi khắp cơ thể.
Những tiếng vang, hay phản xạ, trở về đầu dò, đo lường mức độ mà biện chúng bằng
cách sử dụng tinh thể áp điện ngược lại. Các điện áp từng dội gây ra trong các tinh thể
được ghi lại. Bởi vì các đầu dị sẽ được tạo ra một loạt các đợt sóng và những đợt sóng
bị thâm nhập và chỉ phản ánh một phần, một chuỗi các hồi âm được nhận lại các bộ
chuyển đổi và chuyển đổi thành một loạt các điện áp.


Độ lớn của điện áp biến đổi cho biết cường độ của tiếng vang. Các vị trí khơng gian của
mỗi tiếng vang được xác định bởi thời gian của chuyến bay, t = thời gian
giữa các thế hệ của xung và nhận lại tiếng vang. Trong siêu âm, tốc độ của âm thanh
được giả định là không đổi trong mô - ít về tốc độ tương tự như âm thanh một khoảng
cách


A

Hình 12.11

B

Hình ảnh của thai nhi là một trong quy trình hình siêu âm thơng thường nhất. A. hình ảnh siêu âm thai nhi thơng
thường. B. ảnh ba chiều, cịn của một bào thai, được tạo ra bởi kỹ thuật hình ảnh siêu âm.

2d, hai lần khoảng cách từ đầu dị đến cấu trúc (nó làm cho một chuyến đi vịng
quanh, ở đó và trở lại). Do đó thời gian có liên quan đến khoảng cách của:
2d
c=
t

or

d = ct
.
2

(12.1)

SELF-TEST 1 What is the time required to receive an echo from the aorta,
assuming that the transducer is abutted to the abdominal wall, and the aorta is 6 cm
deep?

ANSWER: t = 0.00008 seconds

Với bộ chuyển đổi chỉ trong một hướng, vị trí của các đối tượng có va chạm
xung theo hướng này có thể được xác định bởi phương trình 12.1. Để tạo một
hình ảnh, đầu dị là chỉ theo nhiều hướng khác nhau, bằng cách quay với một động
cơ ở phía sau - và - ra quét chuyển động. Các dòng hình ảnh được kết hợp thành
một hình ảnh chiếc bánh hình nêm, được xây dựng từ mỗi dịng phản xạ. Q
trình này xảy ra một cách nhanh chóng; hình ảnh có thể được hình thành liên tục,
trong thời gian thực, tạo ra một bộ phim là một trong hai đầu dò hoặc di chuyển
chủ đề. Một ảnh chụp từ một phim của một bào thai của con người, di chuyển
trong tử cung, được thể hiện trong hình 12.11
Ảnh siêu âm có xu hướng xuất hiện "nhiễu": có nhiều điểm sáng dường như

ngẫu nhiên trong hình ảnh. Tiếng vang xảy ra khơng chỉ ở ranh giới nội tạng
mà cịn ở Các phần tử mô nhỏ (gọi là "đốm") mà không tương ứng với cấu trúc
có liên quan. Các tín hiệu tạo bởi các đốm có thể che khuất các đặc tính quan
trọng. Tuy nhiên, vì hình siêu âm cung cấp một dịng video theo thời gian, và
các đốm này khơng phù hợp theo thời gian, chất lượng hình ảnh nhận được hỗ
trợ bởi chuyển động.

12.3.2 Hình ảnh Doppler
Nó thường là có giá trị để đo vận tốc một mô, chẳng hạn như tốc độ máu chảy
hay tỷ lệ vận động thành tim trong trái tim. Vận tốc có thể được đo bằng hình
siêu âm bằng cách khai thác các hiệu ứng Doppler.Các hiệu ứng Doppler


Hình 12.12

Small Wavelength
High Frequency

thường xảy ra với sóng âm thanh. Những
âm thanh của tiếng còi xe từ một chiếc xe
di chuyển tần số sẽ cao hơn cho một
người đi bộ ở phía trước của xe (Hình
12.12). Đối với một người trên một sân
ga, tiếng còi của một xe lửa đến gần sẽ
xuất hiện ở tần số cao (hoặc cường độ),
nhưng khi nó đi thẳng qua, cao độ của âm
thanh sẽ giảm xuống (tức là, nó sẽ nhận
được ở tần số thấp hơn).
Các hiệu ứng Doppler. Một còi kêu từ một chiếc
Để tạo ra hình ảnh Doppler siêu âm, đầu dị

xe di chuyển có âm thanh khác với người
tạo ra một tín hiệu siêu âm của một bước sóng
quan sát phía trước chiếc xe so với những
cố định; however, the wavelength of the
người phía sau xe. Các quan sát viên ở phía
echo can change depend- ing on the
trước sẽ nghe thấy một âm có tần số cao;
các máy chủ quan sát ở phía sau sẽ nghe
direction and angle of the move Tuy nhiên,
thấy một âm thanh tần số thấp.
bước sóng của tiếng vang có thể thay đổi tùy
thuộc vào hướng và góc độ của sự chuyển
động của các đối tượng tạo ra tiếng vang
Trong trường hợp lưu lượng máu, tiếng vang đến từ các phần tử chuyển động (tế bào máu)
trong máu.
Nếu đối tượng đang di chuyển về phía đầu dị, các bước sóng sẽ ngắn hơn
và, do đó, tần số sẽ cao hơn; nếu chuyển đi, ngược lại cũng đúng. Chuyển động
nhanh hơn tạo ra một sự thay đổi lớn trong tần số. Nếu hướng chuyển động
cũng giống như hướng của các xung siêu âm, có sự thay đổi lớn hơn nếu hướng
đó là ở một góc. Sự thay đổi tần số có thể được đo lường mức sánh với tính
tốn vận tốc.
Nhớ các bước song và tần số truyền song trong mơi trường:
c
1
λ=
and f = ,
(12.2)
f
T
Long Wavelength

Low Frequency

trong đó c là vận tốc siêu âm, λ là bước sóng, f là tần số, và T là thời kỳ. Những
thay đổi tần số quan sát được thường nhỏ, nhưng có thể được tối ưu hóa bởi vị
trí của các đầu dị bởi vì hiệu quả cao nhất khi các trục chuyển động và đầu dị
song song. Các bước sóng ở các đối tượng di chuyển được cho bởi:
λ1 = λ0 + (v cos θ )T0,

(12.3)

mà θ là góc giữa hướng của dòng chảy và các xung siêu âm, v là vận tốc của
các đối tượng, và T0 là chu kỳ (một chia tần số). Bởi vì các đối tượng phản ánh
siêu âm được di chuyển tương đối so với đầu dị siêu âm, tần số của sóng
truyền lại cho các đầu dò siêu âm được cho bởi:
f2 = c − v cos
θ λ1

.
= f0 1
−

2v cos θ
,
.

(12.4)

c
giả sử v c. Hình 12.13 cho thấy một hình ảnh siêu âm Doppler động mạch cảnh.

Hình 12.13

Hình ảnh Doppler của các nhánh của động mạch cảnh. Ảnh từ nguồn của Tiến sĩ James D. Rabinov, Bệnh viện đa
khoa Massachusetts và được sử dụng có sự cho phép. (Xem tấm màu.)

12.3.3 Các kỹ thuật siêu âm khác
Trong khi đó, siêu âm được sử dụng chủ yếu để tạo ra hình ảnh của cấu trúc cơ
thể, hình ảnh chức năng có thể được hình thành. Tính chất đàn hồi có thể được
xác định bằng cách đo sự thay đổi trong cấu trúc (căng thẳng) khi mô bị nén
(stress). Bọt khí cực nhỏ có thể được sử dụng để tăng độ tương phản (sáng
tương đối) trong hình ảnh siêu âm. Khí ở các bọt khí gây ra phản xạ mạnh và do
đó có thể hoạt động như một chất tương phản, tạo ra vùng sáng trong hình ảnh.
Lĩnh vực cụ thể có thể được nhắm mục tiêu nhờ các thẻ hóa bọt khí bắt chước
phân tử cách sinh lý quan trọng và do đó làm nổi bật tầm quan trọng của các khu
vực. Ngồi ra, hình siêu âm ba chiều đã có thể sử dụng hoặc là xoay bổ sung của
các đầu dò hay mảng của các đầu dị (hình 12.11b).

12.4 Y học hạt nhân
Y học hạt nhân là cơng nghệ hình ảnh đầu tiên được thiết kế để đo chức
năng trong cơ thể chứ không phải là cấu trúc. Nó dựa trên những phát hiện của
các phân tử phóng xạ, đó là các phân tử khơng ổn định và tự phân rã để giải
phóng năng lượng bức xạ, như tia gamma (Hộp 12.1). Các phân tử được chọn
để tham gia vào các cơ chế sinh lý trong cơ thể. Các trường bắt đầu từ những
năm 1950 và đã phát triển thành một chuyên khoa chính để chẩn đoán - và bây
giờ là trị liệu bệnh.
Để tạo ra một hình ảnh y học hạt nhân, hợp chất phóng xạ được ăn vào bụng, hít vào,
hoặc tiêm. Giống như tia X, lượng phóng xạ trong bức xạ ion hóa. Ở cấp độ thường được
sử dụng, các chất phóng xạ không gây tổn hại cho cơ thể. Hơn nữa, các cơng nghệ y học
hạt nhân ln được tối ưu hóa để số lượng của bức xạ mà bệnh nhân bị được giảm thiểu.

Organ with radioactive emissions

Collimator
Detector Crystal
Photomultiplier Tube Array
Position Logistic Circuits
Detector Cover
COMPUTER
Hình 12.14

Sơ đồ máy gamma. Một hình ảnh của các cường độ phóng xạ, được phát ra từ các chủ đề, được chụp
bởi một máy gamma.

12.4.1 Phương pháp hình ảnh y học hạt nhân
Các hợp chất phóng xạ dùng trong y học hạt nhân (thường được gọi là chất
đánh dấu) được sử dụng để phản ánh một chức năng cụ thể, chẳng hạn như
truyền máu hoặc trao đổi chất; thường, điều này được thực hiện bằng cách gắn
một đồng vị phóng xạ để một phân tử tham gia vào chức năng đó. Ví dụ,
iodine-131 (131I) được sử dụng bởi vì tuyến giáp có cơ chế sinh lý tập trung
iốt. Q trình chụp ảnh sau đó đo sự phân bố của độ phóng xạ trong các cơ
quan. Khu vực của cơ thể tiết lộ tính phóng xạ cao chỉ ra sự có mặt của các
phân tử. Các loại chính của phương pháp tạo ảnh y học hạt nhân là hình ảnh
phẳng, phát xạ photon đơn lẻ CT (SPECT), và PET.
Hình ảnh phẳng và SPECT sử dụng phân tử hóa học được liên kết với tia
gamma. Các phần tử phóng xạ như technetium - 99m. Chu kỳ bán rã của đồng
vị technetium ngắn (6 giờ), do phóng xạ giảm một nửa sau sáu giờ và không
kéo dài được lâu sau khi tiêm vào cơ thể. Một máy gamma là một công cụ
chuyên dụng phát hiện tia gamma và tạo ra một hình ảnh của phóng xạ (Hình

12.14); các hoạt động của máy gamma được mô tả trong phần 12.4.3.
PET sử dụng các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn phát xạ hạt
positrons: Ví dụ, oxygen-15 phát ra positrons và có chu kỳ bán rã là 2 phút. Vì thời
gian bán rã rất ngắn, các hợp chất phải được tạo ra gần địa điểm sử dụng của
họ. Chúng được sản xuất bằng cách sử dụng một máy gia tốc, mà là một loại
máy gia tốc hạt, và các phương tiện đặc biệt để điều khiển các vật liệu phóng
xạ một cách an tồn. Bộ phát Positron thường có của các ngun tử thấp và
đồng vị của các nguyên tố, ví dụ 11C, 13N, và 18F.
Khi các đồng vị phân rã và một positrons được phát ra trong cơ thể, nó gần
như ngay lập tức gặp phải một electron, hai hạt triệt tiêu lẫn nhau;


Coincidence
Processing Unit

Sinogram/
Listmode Data

Annihilation

Image Reconstruction

Figure 12.15 Chụp cắt lớp phát xạ positron (PET). Trong PET, một chuỗi các bước xử lý được dùng để tạo ra một hình
ảnh. Trong quá trình triệt tiêu, hai photon được phát ra theo hướng xuyên tâm đối lập. Các photon tạo
bởi các máy quét PET ngay sau khi nhận được tại vòng dò. Sau khi tạo ra, các dữ liệu được chuyển tiếp
đến một đơn vị xử lý, mà quyết định nếu hai sự kiện tạo ra được chọn là một sự kiện trùng hợp ngẫu
nhiên cái gọi là. Tất cả sự trùng hợp được chuyển tiếp đến các đơn vị xử lý hình ảnh, nơi mà các dữ liệu
hình ảnh cuối cùng được tạo thơng qua quy trình tái hình ảnh.

Q trình này tạo ra hai tia gamma di chuyển theo những hướng hoàn tồn

ngược nhau. Để tìm nơi mà sự triệt tiêu xảy ra, đầu dò được đặt trong một vòng
xung quanh các trường hình ảnh (Hình 12.15); hai tia gamma sẽ gặp phải các
máy dò gần như cùng lúc, trừ khi một hoặc cả hai đều nằm rải rác. Tán xạ xảy
ra khi một tia gamma tương tác với vật chất trong đường đi của nó và thường
mất năng lượng và thay đổi hướng. Tuy nhiên các đầu dị có thể tạo ra các hạt
đi theo cặp và bỏ qua tán xạ tia gamma

12.4.2 Ứng dụng của y học hạt nhân
Các chất phóng xạ được sử dụng trong y học hạt nhân được thiết kế để phản
ánh chức năng cơ thể, chẳng hạn như tuần hoàn máu, và thường được dẫn đến
một cơ quan cụ thể.Các ứng dụng lâm sang đầu tiên cho hình ảnh tuyến giáp
suwe dụng iodine (131I) để phát hiện bệnh ung và để đánh giá tuyến giáp. Những
bệnh nhân nuốt dung dịch sodium iod làm bằng 131I, được hấp thụ qua hệ tiêu hóa,
tuần hồn máu và lưu trữ trong tuyến giáp
Với sự phát triển của chất đánh dấu phóng xạ khác, các ứng dụng của y học hạt
nhân đã được mở rộng. Trong trái tim hay não, những hình ảnh này có thể chỉ ra
các


vị trí của tổn thương gây ra bởi một cơn đau tim hoặc đột quỵ. Sự phát triển
xương, gãy xương, khối u, và nhiễm trùng tất cả có thể được hình dung bằng
cách sử dụng chụp cắt lớp xương với chất đánh dấu đặc biệt. Các đường tiết
niệu, phổi, gan và cịn có thể được tạo ảnh.
Bất thường trên ảnh y học hạt nhân có thể xuất hiện như là một trong hai
hoạt động gia tăng (xuất hiện điểm sáng trong hình ảnh) hoặc hoạt động giảm
(xuất hiện tối). Đối với chất đánh dấu chỉ ra rằng lưu lượng máu, tăng hoạt
động có thể chỉ ra khối u hoặc gãy, cả hai đều cho thấy sự gia tăng lưu lượng
máu. Hoạt động giảm có thể chỉ ra vị trí của tổn thương hoặc hạn chế lưu lượng
máu (đột quỵ, nhồi máu, vv).
Trong trái tim, lưu lượng máu đến các vách tim có thể được đo. Tập thể dục

trước khi chụp chiếu có thể được sử dụng để đo những thay đổi trong dịng
máu chảy liên quan đến stress. Q trình chụp chiếu có thể được đồng bộ với
nhịp tim của bệnh nhân bằng cách sử dụng một điện tâm đồ (gating tim) cho
phép phim của mẫu phóng xạ được mơ tả lại để đánh giá, ví dụ, vận động thành
và chức năng tim. Nếu khơng có gating, chuyển động sẽ làm mờ hình ảnh.
Kiểm tra gan và lá lách chiếm khoảng ba phần tư của trong quét y học hạt
nhân và được sử dụng để hiển thị kích thước, hình dạng, vị trí, và những khác
biệt. Những qt có thể được sử dụng để phát hiện các bất thường về gan như
áp xe hoặc tổn thương mà chỉ ra viêm gan, xơ gan, và các rối loạn khác. Lách
to có thể được nhìn thấy cho thấy, ví dụ, một bệnh nhiễm trùng. Hình ảnh của
thận và bàng quang có thể cho thấy chức năng động và những bất thường ở
đường tiết niệu.
Trong não, SPECT và PET có thể được sử dụng để đo lưu lượng máu, sự trao
đổi chất, và ràng buộc dẫn truyền thần kinh, sử dụng chất phóng xạ một cách
thích hợp. Những kỹ thuật này hữu ích cho việc chẩn đoán bệnh, đột quỵ, và các
khối u và ngày càng quan trọng trong việc nghiên cứu các chứng rối loạn thần
kinh tâm thần như trầm cảm và tâm thần phân liệt.

12.4.3 Hoạt động của tia Gamma
Mặt phẳng và hình ảnh SPECT được dựa trên camera gamma, gọi là máy
ảnh Anger, sau khi kỹ sư người Mỹ, Hal Anger tạo ra (Hình 12.14). Các camera
gamma được lắp ráp từ các máy dị nhấp nháy (có thể phát hiện sự hiện diện
của các tia gamma), bộ nhân quang điện (trong đó chuyển đổi năng lượng ánh
sáng thành năng lượng điện), và một ống chuẩn trực (lọc tia gamma). Mỗi máy
ảnh ở một vị trí tạo ra một hình ảnh phẳng như là một hình chiếu (tức là, nó là
một tổng hợp) của phóng xạ theo hướng máy ảnh đang chiếu vào. Sử dụng các
phương pháp toán học tương tự như trong CT, hình ảnh cắt ngang có thể được
tạo ra bằng việc chụp ở nhiều góc độ, có thể có nhiều máy quay, và xây dựng
lại mặt cắt từ những sự phóng xạ.
Như tia gamma (photon năng lượng cao) được phát ra từ bên trong cơ thể,

chúng sẽ được tập trung ở một số vùng của cơ thể, tùy thuộc vào loại chất chỉ
thị. Khi các tia ló ra khỏi cơ thể, một số sẽ được phân tán hoặc hấp thụ trước
khi họ làm cho nó vào máy ảnhTia Gamma xâm nhập các máy ảnh thông qua


A

B

I
F
O

O
SEPTA

b

PINHOLE

Hình 12.16

I

PARALLEL
HOLE

Các loại collimators.

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
Nucl Technol. Năm 2001; (1) 29: 12-18 với
sự cho phép của Hội Y học hạt nhân.

ống chuẩn trực, mà thường được tạo thành
từ các kênh dẫn mà chỉ cho phép xâm
nhập của các tia gamma có nguồn gốc trực
tiếp phù hợp với kênh. Trong một lỗ song
song (hình 12.16b), các dải dẫn song song
với
nhau và vng góc với đầu camera. Nó
đảm bảo rằng chỉ có những photon đang
nổi lên từ ngay bên dưới camera quan sát
chúng. Photon đến một góc được hấp thu
gần như hồn tồn bằng ống dẫn.
. Một loại ống chuẩn trực khác là ống
chuẩn trực lỗ kim ( hình 12.6a ). Chỉ có tia
gamma đi qua một lỗ kim được chụp ảnh,
kết quả là một hình ảnh đảo ngược và có
khả năng phóng đại. Các yếu tố phóng đại
có thể được thiết lập bằng cách điều chỉnh
khoảng cách giữa các đối tượng và lỗ. Các
yếu tố phóng đại chỉ đơn giản là tỷ lệ của
khoảng cách lỗ máy dò đến khoảng cách
với lỗ. Ống chuẩn trực lỗ kim được sử
dụng cho các hình ảnh của các cấu trúc
nhỏ địi hỏi phóng đại, chẳng hạn như
tuyến giáp. Sau khi đi qua ống chuẩn trực,

photon tia gamma đập vào tinh thể lấp
lánh, một chất liệu đặc biệt phát ra nhiều
photon ánh sáng nhìn thấy được đối với
mỗi photon gamma.
Ánh sáng nhìn thấy được sau đó được phát
hiện bởi các ống nhân quang và chuyển đổi
thành một tín hiệu điện. Thiết bị điện tử
trong các camera theo dõi số lượng và vị trí
của các tín hiệu và chuyển thơng tin đó vào
máy tính để tạo thành một hình ảnh. Các
hình ảnh cho thấy sự phân bố khơng gian
của các chất phóng xạ, cũng như những
thay đổi trong mức độ phóng xạ là một hàm
của thời gian (Hình 12.17).
Để đảm bảo rằng hình ảnh được gây ra bởi các
tia gamma năng lượng thích hợp, các photon chỉ
được tính nếu chúng rơi vào trong một khoảng
năng lượng xác định (gọi là cửa sổ năng lượng)
cái dựa trên năng lượng đặc trưng

của chất đánh dấu phóng xạ. Mở rộng cửa sổ năng lượng sẽ làm tăng tín hiệu
(nhiều photon sẽ được tính cho hình ảnh), nhưng cũng cho phép năng lượng


thấp hơn, photon được tính rải rác - vị trí
trong đó là khơng chắc chắn. Bởi vì một số
photon gamma có thể được hấp thụ trong
mơ, bộ phận cơ thể dày hơn sẽ có một tín
hiệu giảm và phân tán hơn. Khoảng cách
lớn hơn cũng gây giảm tín hiệu.

Sự kiện phóng xạđược điều chỉnh bởi một
phân phối xác suất Poisson (Hộp 12.3). Một
trong những hậu quả của việc phân phối này
là độ lệch chuẩn của các phép đo bằng căn
bậc hai của các hoạt động có ý nghĩa. Nếu
số lượng các sự kiện, hoặc hoạt động, bằng
Hình 12.18 Ảnh lát cắt não chụp ảnh bằng chụp cắt lớp phát
A,
xạ positron. (Xem tấm màu.)
sau đó độ lệch chuẩn, hoặc lỗi, bằng căn bậc hai của A. Tỷ lệ tín hiệu (hoạt
động) lỗi trong các tín hiệu (nhiễu) có thể được tính:
√
S
A
A,
(12.5)
=√ =
N
A
trong đó S là mức tín hiệu và N là độ nhiễu. Đối với hoạt động thấp, tín hiệu
khơng phải là lớn hơn nhiều so với nhiễu, và kết quả là một lốm đốm (nhiễu
nhiều) hình ảnh. Là hoạt động được cao hơn, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (S / N) tăng
lên, và chất lượng hình ảnh được cải thiện. (Xem phần 12.7 để biết thêm về
chất lượng hình ảnh.). 12,5 dự đốn phóng xạ cao hơn, chất lượng tốt hơn của
hình ảnh. Tuy nhiên, lượng phóng xạ mà chủ thể tiếp nhận phải càng thấp càng
tốt, để được an tồn. Do đó, hình ảnh y học hạt nhân địi hỏi một sự cân bằng
giữa chất lượng hình ảnh và liều cho bệnh nhân.
Một máy ảnh PET hoạt động trong nhiều cách giống nhau, ngoại trừ việc phát
hiện sự trùng hợp là cần thiết để xác định vị trí của các positron từ đồng thời
(hoặc trùng) phát hiện tia gamma trên các vị trí đối diện của cơ thể (Hình 12.15).

Ngồi ra, chuẩn trực vật lý, như được mơ tả trước đó, được thay thế bằng thống
điện chuẩn trực tronic. Hai photon được tạo ra bởi sự hủy positron / electron sẽ
đồng thời dược phát hiện. Do đó, camera được thiết kế sao cho các sự kiện được
ghi nhận chỉ khi chúng xảy ra cùng một lúc. Các sự kiện được thu thập lại, vì
chúng phải xảy ra trên đường nối hai máy dị đó ghi lại sự kiện này. Chuẩn trực
điện tử nhạy hơn chuẩn trực cơ do chuẩn trực vật lý sử dụng dải dẫn để hấp thụ
photon, giảm số lượng photon mà đạt được các máy dò. Hình ảnh PET, hình
thành theo cách này, là cực kỳ hữu ích trong việc tạo ảnh phân tử trong não
(Hình 12.18).

12.5 Optical bioimaging
Ánh sáng là cơ sở cho tầm nhìn ở động vật Hình ảnh quang sinh học bắt chước
những hệ thống và mở rộng khả năng bẩm sinh của chúng ta bằng cách cho tầm
nhìn bên trong cơ thể và ở một


Probability of outcome

Box 12.3 Poisson probability statistics
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0

1

2 3 4 5
6 7 8 9 10 11
Number of cars arriving during an hour

0.04
Probability of outcome

Xác suất là một nhánh của toán học
cho phép tính tốn về khả năng (hay
xác suất) mà có biến cố sẽ xảy ra trong
tương lai. Xác suất khác với thống kêđó là một nhánh của khoa học mà thực
hiện việc thu thập, phân loại, và phân
tích các số liệu thực tế.
Phân bố Poisson là một ví dụ của
phân phối xác suất rời rạc. Phân bố xác
suất rời rạc có một số hữu hạn các kết
quả, như việc ta tung đồng xu (mà chỉ
có hai kết quả có thể xảy ra, sấp hoặc
ngửa). Sự phân bố được phát hiện bởi
Sime'on-Denis Poisson (1781-1840);
Poisson đã nghiên cứu khả năng một số
lượng nhất định các sự kiện rời rạc xảy
ra, trong một khoảng thời gian nhất
định, dựa trên trung bình biến cố đến
với một tần số nhất định. Ví dụ, có bao
nhiêu chiếc xe có khả năng để vào xa
lộ thơng qua một đoạn đường nối đặc
biệt, 04:00-05:00 vào ngày 23 tháng 6

năm 2025, đó là một thứ hai, nếu tỷ lệ
xuất hiện trung bình của xe tại thời
điểm đó vào ngày thứ hai điển hình
được cho biết ?
Sự phân bố Poisson được thể hiện như:

0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
8
0

8
6

9
2

9
8

10 11 11
4 0
6

12 12 13 14
2
8
4
0

Number of decays

f (k; x ) x k e −x
,
(Equation 1)
=
k!
trong đó f (k, x) là xác suất mà có chính xác k xảy ra và x là "kỳ vọng" số lần xuất hiện
trong suốt khoảng thời gian đó. Ví dụ, nếu xe đến trên đoạn đường nối trung bình mỗi 11 phút,
sau đó người ta sẽ mong đợi 60/11 hoặc 5,4545. . . xe ô tô để đến trong một giờ. Sự phân bố
Poisson của tình huống này được thể hiện trong hình.
Phóng xạ là một tiến trình Poisson (nghĩa là một quá trình mà tuân theo phân phối Poisson).
Đối với một nguyên tố phóng xạ nhất định, số lượng dự kiến của phân rã phóng xạ xảy ra
trong bất kỳ khoảng thời gian được biết đến. Chất phóng xạ được đặc trưng bởi số lượng phân
rã phóng xạ xảy ra mỗi phút: 1 Curie (Ci) của một vật chất phóng xạ (trung bình) 2.22 × 1012
phân rã phóng xạ mỗi phút. Do đó, một mẫu 1 pCi (10−9 Ci) có 2,220 phân rã mối phút. Tại
một khoảng thời gian 3 giây, số lượng dự kiến của phân rã là 111. Biểu đồ thứ hai cho thấy sự
phân bố Poisson (tính từ phương trình 1) cho khả năng phân rã được quan sát trong một
khoảng thời gian đếm 3 giây.

Retina


Simple

Magnifying
Lens
Magnification
With
A Simple
Thin Lens

Subject

Virtual
Image

Hình 12.19

quy mơ nhỏ. Phương pháp tạo hình quang
sinh học có một lịch sử lâu đời, bắt đầu
bằng kính hiển vi. Các kính hiển vi đầu
tiên được phát triển trong thời kỳ Phục
Hưng (thế kỷ 14 đến thế kỷ 16) sử dụng
ống kính kính lồi để tạo ra hình ảnh phóng
to của đối tượng (hình 12.19). Các thiết bị
này cho ta cái nhìn đầu tiên về tế bào, vi
khuẩn, và các cấu trúc vi thể khác.
Tổ hợp kính hiển vi sử dụng ống kính
kết hợp để tăng độ phóng đại. Độ phóng
đại được cung cấp bởi thấu kính lồi được
dựa trên sự khúc xạ của thủy tinh. Khi ánh
sáng truyền qua một mơi trường đồng
nhất, nó đi theo đường thẳng. Khi ánh
sáng truyền từ môi trường này sang mơi

trường khác (xem hình 12.20 chẳng hạn
như từ khơng khí đến thủy tinh, n ó

Độ phóng đại đối với ống kính

có thế đổi hướng ; đó được gọi là khúc xạ.
Khúc xạ gây ra bởi sự thay đổi trong vận tốc của ánh sáng và được điều chỉnh bằng
công thức Snell:
sin θ1
sin θ2

=

v1 ,

)

v2

θ 1 là góc tới của ánh sáng đến mặt cắt, θ 2 là góc khúc xạ, v1 là tốc độ tới của ánh
sáng, và v2 là tốc độ đi ra của ánh sáng. Tốc độ của ánh sáng là tỷ lệ nghịch với chiết
suất của môi trường. Kính lúp khúc xạ các tia sao cho cấu trúc vật hiện lên lớn hơn.
Các kính hiển vi đầu tiên chỉ có thể phóng đại vào khoảng chín lần. Antonie van
Leeuwenhoek, người được biết đến
n1, v1n2, v2

Hình 12.20

Khúc xạ xảy ra tại bề mặt giữa truyền thông và được mô tả bằng định luật Snell.