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.
Mục lục 12.1 Mở đầu 02 12.2 Tia X 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 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 y học hạt nhân……………… 19 12.4.3 Hoạt động tia Gamma…………………………20 12.5 Optical Bioimaging………………………………………….23 12.5.1 Huỳnh quang ảnh đồng tiêu…………………….26 12.5.2 Nội soi sợi quang học………………………… 28 12.6 MRI………………………………………………………….29 12.7 Xử lý 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 12 Bioimaging MỤC TIÊU HỌC TẬP Sau đọc xong chương này, bạn nhận được: ■ ■ ■ ■ Làm quen với cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh Hiểu ngun lý phía sau tia X, siêu âm, y học hạt nhân, quang học, chụp cộng hưởng từ (MRI) Làm quen với số hệ thống ứng dụng y tế cơng nghệ hình ảnh Hiểu vấn đề phân tích xử lý hình ảnh kỹ thuật số 12.1 Mở đầu Cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh tạo nên cách mạng hóa y học sinh học cách cho phép nhìn thấy bên thể, qua giúp hình dung cấu trúc sinh học chức cấp độ vi mơ Hình ảnh đơn vị đại diện cho tính chất đo lường thay đổi theo khơng gian (hoặc thời gian) Hình ảnh cung cấp thơng tin chi tiết cấu trúc sinh học; hình ảnh hiệu cho biết thông tin chức tốt, cho phép ghi lại tiến trình cấp độ vi mơ phân tử, tính chất vật lý (chẳng hạn độ đàn hồi nhiệt độ) Các phương pháp để hình dung định lượng thuộc tính có sẵn cấp độ vĩ mô (tức là, nhìn thấy mắt thường) cấp độ vi mơ Thơng tin sử dụng lâm sàng để chẩn đoán theo dõi điều trị khoa học để hiểu cấu trúc, sinh lý học lúc bình thường lúc khác thường Công nghệ mang lại thay đổi đáng ý chẩn đốn hình ảnh (Hình 12.1) Biểu đồ gen chụp lại chụp cắt lớp phát xạ Positron (PET) – phương pháp chẩn đốn hình ảnh dựa phát xạ tiêm đồng vị phóng xạ đặc biệt- kết hợp với phương pháp di truyền học Hoạt động não chụp lại với MRI (fMRI), thơng tin sử dụng để phẫu thuật thần kinh cách chuẩn xác Các tác động học tim vẽ lại thành sơ đồ cách sử dụng sóng âm tần số cao (siêu âm); sơ đồ xác định khu vực chấn thương sau đau tim Cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh cơng cụ vơ thiết yếu y học A B C Hình 12.1 Ví dụ cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh A ảnh cắt ngang bụng thu với tia X sử dụng chụp cắt lớp vi tính B Chức chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI; màu) chồng lên MRI giải phẫu Ảnh từ nguồn Tiến sĩ Jody Culham C Positron cắt lớp phát xạ quét thu từ não người bình thường Ảnh từ nguồn Viện Lão khoa Quốc gia (Xem màu.) Hình ảnh chụp theo không gian, nên cho phép bác sĩ giới hạn lại khu vực có tượng sinh học bất thường để kiểm tra theo khơng gian thời gian Có nhiều cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh khoa học chẩn đốn lâm sàng Mỗi cơng nghệ có hạn chế khác nhau: Một phương pháp cụ thể có chất lượng thấp, thời gian nhận hình ảnh lâu, tốn khơng thích hợp cho tất bệnh nhân Tập hợp tất lợi cho công nghệ chẩn đốn hình ảnh cụ thể (ví dụ như, chất lượng cao, nhanh hơn, rẻ hơn, động) làm cho phù hợp tình thích hợp Các phương thức khác có hiệu qua thời gian khác nhau, tính chất y học làm tảng cho tiến trình đo cấu trúc chức khác (Bảng 12.1) Bảng 12.1 Đặc điểm 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 tóm tắt số chức phương thức hình ảnh thảo luận chương liên quan đến độ phân giải theo không gian thời gian, loại hình theo khơng gian, loại phép đo thực 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 Hình 12.2 Minh họa Vesalius mặt cắt ngang qua não từ năm 1543 Hầu hết cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh kỹ thuật số; hình ảnh truyền máy tính tạo từ hình ảnh cá nhân pixel (điểm ảnh) Kỹ thuật số dễ dàng xử lý hình ảnh nhằm nâng cao chất lượnanhrtuwj tính tốn phép đo lấy phần đặc trưng bật Mặc dù có tương đồng dạng hình ảnh kỹ thuật số, có nhiều cách thức khác để tạo hình ảnh Nói chung, nguồn lượng tương tác với mục tiêu (chẳng hạn thể người) sản sinh tín hiệu Năng lượng đến từ electron, song siêu âm, ánh sáng, xquang, chí tần số vơ tuyến (RF) Đầu dị cần thiết để chuyển đổi tín hiệu sang dạng đo lường được, chẳng hạn điện áp Thông thường, điều cần thiết để đưa vật liệu tương phản vào đối tượng để cung cấp tín hiệu khác biệt làm bật cấu trúc chức cụ thể Trước công nghệ chẩn đốn hình ảnh đời, hình vẽ sử dụng để ghi lại cấu trúc sinh học Andreas Vesalius, bác sĩ người Bỉ đồng thời nhà giải phẫu học kỷ 16, mang hình ảnh đến cấp độ với dựng hình chi tiết xác dựa mổ xẻ (Hình 12.2) Hình vẽ cách lưu giữ phát minh máy chụp ảnh kỷ 19 đời (Hình 12.3) Bởi cho phép ghi lại hình ảnh, máy ảnh bước cách mạng cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh Cơng nghệ chụp ảnh sớm kết hợp với kính hiển vi để ghi lại hình ảnh tế bào (Hình 12.4) Việc phát tia X vào cuối kỷ thứ 19 trực tiếp dẫn đến cách để nhìn thấy bên thể người Một tia X có khả tạo hình ảnh phim, cho phép hình ảnh qua tia X ghi lưu lại Theo sau phát triển cách mạng cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh phát triển nhiều phương thức tạo hình Kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến phát triển, bao gồm A B Hình 12.3 A A Hình ảnh Joseph Niepce thực năm 1827 B Ví dụ chụp ảnh kỹ thuật số 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 Ảnh Arthur E Smith, in lại với đồng ý Lutterworth Press Bảng 12.2 Phát minh công nghệ chẩn đốn hình ảnh người phát minh 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, sử dụng hạt điện tử (electrons) thay ánh sáng nhìn thấy để tạo hình ảnh đối tượng nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng (~500 µm) Cơng nghệ chẩn đốn bao gồm chụp ảnh phóng xạ tia gamma (mà tạo hình ảnh từ chất phóng xạ tiêm vào thể), siêu âm, chụp PET, chụp cắt lớp vi tính (CT) để tạo hình ảnh ba chiều từ X-quang, MRI – phương pháp mà cung cấp hình ảnh bên thể có độ phân giải cao mà khơng có ảnh hưởng tia X xạ ion hóa Những hình thức cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh tạo cơng trình nhà khoa học kỹ sư (Bảng 12.2) 12.2 Tia X CT Năm 1895, Wilhelm Roentgen trình bày báo cáo tới Hội Vật lí Y khoa Würzburg Đức với tiêu đề “Một loại tia mới” Khả đáng kình ngạc tia đâm xuyên qua vật thể rắn công nhận thu hút tị mị: Tia X sử dụng để tạo hình ảnh vật thể rắn bên thể (hình 12,5) Giải Nobel vật lý năm 1901 trao cho Roentgen cho công việc Giải thưởng trao lĩnh vực vật lý tầm quan trọng tia bản, tia X chứng minh ý nghĩa quan trọng y tế magnified image at detector electron beam x-rays sample R1 R2 small target x-ray source Hình 12.5 Hình ảnh tạo sử dụng tia X Tia X xạ điện từ với bước sóng vào khoảng 0.1 nanomet (Box 12.1) Bởi tia có đủ lượng để đánh bật điện tử khỏi nguyên tử vật liệu mà xuyên qua, chụp x-quang hình thức xạ ion hóa Điện tử bị biến nguyên tử thành ion điện hạt; tia x tiếp xúc với vật liệu mô người, ion tạo mô, ion sau gây tổn hại tế bào Do tổn hại xảy ra, thời gian tia X tiếp xúc giảm tối thiểu đến mức thực cần thiết cho chẩn đốn lâm sàng Ngồi ra, mức độ tiếp xúc giới hạn khu vực cần thiết thể để giảm thiểu tác dụng phụ Chụp x-quang có hai tính chất hữu ích tạo ảnh Đầu tiên, thể người suốt với tia X bước sóng định (và lượng tương ứng): tia qua thể, nhiên, xuyên qua, hấp thu phần Càng nhiều tế bào đường tia X — độ dày đặc mơ lớn thành phần xạ bị hấp thụ nhiều Chụp x-quang có lượng "Goldilocks" cho tạo ảnh: xạ điện từ lượng cao qua thể mà không bị hấp thụ đáng kể, xạ với lượng thấp hấp thu hoàn tồn Thứ hai, chụp x-quang có khả xuất film chụp Tính chất đóng vai trị phát họ : Roentgen ghi lại diện phim Hình ảnh tia X trước tiên lưu trữ phim trước có camera X- quang kỹ thuật số.Trong thực tế, hình huỳnh quang sử dụng phía trước máy dò (phim kỹ thuật số) để khuyếch đại tác dụng tia X (Hình 12.6) 12.2.1 Chụp x-quang thông thường Một tia X xuyên qua thể xuất phim (hình 12.6) Một hình ảnh chụp xquang hình ảnh "tiêu cực": phim tối nơi thể dày đặc sáng nơi thể dày đặc Vùng tối xảy thể có nguyên tố nhẹ (chẳng hạn thịt chân bạn), cho phép tia X xâm nhập qua The biological hazards of ionizing radiation, as well as the use of these rays for treatment of cancer , are described in Chapter 16 Box 12.1 Phổ điện tử Phóng xạ lượng truyền dạng sóng Mặt trời, ví dụ, phát xạ thấy mắt thường, xạ có bước sóng ngắn (tia cực tím) xạ có bước sóng dài (bức xạ hồng ngoại) Tất đối tượng phát xạ Bức xạ nhiệt phát nhiệt độ đối tượng; bước sóng xạ giảm nhiệt độ đối tượng tăng lên Do đó, nhiệt độ đối tượng ước lượng từ xạ nhiệt mà chúng phát Hình 12.1 Hộp Thuộc tính quang phổ điện từ Ảnh từ nguồn NASA Quang phổ điện từ tập liên tục tất dạng xạ điện từ, thường trình bày đường phân chia thành khu vực bước sóng giảm (Hình Hộp 12.1) Bước sóng xạ có liên quan đến tần số nó: c λ= , (Equation 1) f lượng thực xạ điện từ phụ thuộc vào tần số nó: E = hf, (Equation 2) c vận tốc ánh sáng (299.792.458 m / s) h số Plank (6,63 × 10-34 Js) Mặc dù đặc trưng bước sóng, xạ điện từ giống hạt: Mỗi photon xạ mang lượng lượng tử: E = hc/ (Equation 3) Sóng vơ tuyến có bước sóng dài nhất, sử dụng để phát sóng phát truyền hình (radio FM, ví dụ, sử dụng tần số 88 108 MHz, MHz 10 Hz) Sóng cực ngắn có bước sóng ngắn hơn; dao động khoảng từ mm đến m, với tần số dao động 300 MHz 300 GHz Chúng sử dụng cho truyền thông, cho truyền tải điện, lị vi sóng Bức xạ hồng ngoại có bước sóng khoảng mm đến 750 nm; xạ phát cao quan 1.000 K (-272 đến 728◦C) hồng ngoại Mắt người phát phạm vi hẹp quang phổ điện từ: Các bước sóng từ 400 đến 700 nm tạo thay đổi hóa học tế bào võng mạc Tế bào chuyên biệt võng mạc phát phạm vi bước sóng nhìn thấy, người nhìn thấy màu sắc từ tím (400-450 nm), màu xanh (450-490 nm), màu xanh (490-560 nm), vàng (560590 nm ), màu cam (590-630 nm), màu đỏ (630-700 nm) Tia cực tím (UV) xạ có bước sóng ngắn ánh sáng nhìn thấy được, đó, mang nhiều lượng Các tế bào da người bị ảnh hưởng xạ tia cực tím, mà gây bỏng với tiếp xúc kéo dài Tia gamma tia X chí có bước sóng ngắn hơn, tràn đầy lượng hơn, xạ tia cực tím Bởi bước sóng ngắn, tia X tia gamma qua hầu hết chất, hữu dụng cho tạo ảnh y tế Nhưng chúng gây thay đổi hóa học, ví dụ ion hóa, gây phóng electron từ phân tử xạ lượng cao Trong mô người, ảnh hưởng thời gian ngắn, liều lượng thấp xạ ion hóa khơng đáng kể Liều cao xạ ion hóa gây tác dụng sinh học lập tức, gọi nhiễm độc phóng xạ, với kích ứng phá hủy đến mơ quanh đó, tương tự đốt cháy Tiếp tục tiếp xúc với liều thấp gây thiệt hại cho DNA, tạo đột biến dẫn đến bệnh mơ, đặc biệt ung thư để phơi bày phim Vùng ánh sáng trắng hay xảy thể nhiều, dày đặc nguyên tố nặng (như xương), cho phép tia x để lộ phim Các cường độ tia x- giảm (giảm độc lực) theo cấu trúc mà qua: Bằng cách này, hình ảnh tia x giống bóng Q trình tia x thơng thường biến cấu trúc ba chiều thể thành hình ảnh hai chiều Mỗi vị trí hình ảnh hai chiều đại diện cho xâm nhập tia X thơng qua thể mà có độ dày khác mô khác mật độ khác nhau, mặt phẳng Loại hình ảnh, bóng X-ray tube Filter Collimator Patient X-ray Anti-scatter grid Fluorescent screen Detector Image created at detector Hình 12.6 Hình thành hình ảnh y tế x-quang Trong phát triển phim, hạt bạc halogen phim (nhưng có hạt hấp thụ lượng) chuyển đổi thành bạc kim loại, xuất hạt đen Các hình ảnh tạo phim (hay máy dò khác) phóng chiếu mật độ đối tượng ba chiều lên hình ảnh hai chiều phẳng Kích thước voxel có lúc bị nhầm lẫn với độ phân giải Độ phân giải thước đo độ chi tiết thấy ảnh; độ phân giải xác định, vậy, dựa khả nhìn thấy hai vật thể riêng biệt chúng cách khoảng nhỏ Khoảng cách tối thiểu mà hai vật thể nhỏ (hoặc điểm) thấy riêng biệt ký hiệu độ phân giải Nếu khoảng thấy đối tượng gần so với độ phân giải, chúng làm thành vết mờ ô vuông Độ phân giải cách để mơ tả chất lượng hình ảnh Chất lượng hình ảnh đo độ tương phản nhiễu Độ tương phản thay đổi tương đối cường độ (từ tối đến sáng ngược lại) hai vùng lân cận Độ tương phản cao, dễ dàng để cảm nhận ranh giới vật Nhiễu hình ảnh giống tiếng ồn ghi âm: Nó làm biến dạng tín hiệu Nhiễu, đo đạc, định nghĩa khác biệt giá trị thực giá trị đo Tất phép đo không tránh khỏi nhiễu Thông thường, nhiễu ảnh xuất đốm ngẫu nhiên ảnh, tạo cường độ hình ảnh số điểm khác so với giá trị thực Một cách để mô tả biến thể không mong muốn cường độ hình ảnh dùng để đo lường thay đổi mức màu vùng hình ảnh mà người ta gọi đồng 12.7.2 Cải thiện chất lượng ảnh Xử lý máy tính sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh Một cách để cải thiện chất lượng hình ảnh điều chỉnh cường độ để nâng cao độ tương phản Cách tốt để hiểu độ tương phản hình ảnh nằm quy định biểu đồ cường độ, mà đơn giản việc đếm số lượng điểm ảnh cường độ hay cấp độ màu (xem hình- 12,27) Nếu biểu đồ tập trung phần phạm vi cấp độ màu xám, độ tương phản hình ảnh khơng tốt Nếu tập trung cấp cao cuối cùng, hình ảnh xuất dư sáng (hình 12.27b); cấp cuối thấp, thiếu sáng (Hình 12.27a) Sự tương phản tổng thể tốt xảy biểu đồ phẳng cân (hình 12.27d), đó, dải tương phản đầy đủ dùng tốt Thuật tốn máy tính tạo để phóng to thu nhỏ mức màu biến đổi độ tương phản hình ảnh Một cách khác để tăng cường hình ảnh sử dụng lọc tuyến tính (Hình 12.28) Lọc tuyến tính định nghĩa theo mảng nhỏ số (kernel) hoạt động hình ảnh Các hình ảnh lọc tính tốn phép toán đơn giản: Các lọc đưa trung tâm điểm ảnh voxel hình ảnh, giá trị cho voxel xác định từ tổng kết phần tử tương ứng Q trình gọi tích chập rời rạc A B C D Hình 12.27 Biểu đồ nâng cao độ tương phản Các biểu đồ cường độ cho dấu hiệu xuất hình độ sáng độ tương phản Ví dụ, lọc làm mịn đơn giản sử dụng để làm giảm nhiễu hình ảnh Các lọc nhân là: 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 Khi nhân áp dụng, hoạt động lọc, giá trị điểm ảnh hình ảnh thay trung bình giá trị pixel xung quanh Hình ảnh thu mượt mà mờ hơn, nhiễu giảm Image origin y Mas k Image f (x, y) x (0 0) (0 1) (1 0) (1 1) Mask coefficients showing coordinate arrangement f(x y) f(x y 1) f(x 1 y) f(x 1 y 1) Pixels of image section under mask Hình 12.28 Linear filtering with discrete convolution (1) Bạn làm cho hình ảnh sắc nét lọc tuyến tính Là cách sử dụng kỹ thuật gọi mặt nạ không sắc nét Kỹ thuật có nguồn gốc xử lí phịng tối hình ảnh Ý tưởng chụp ảnh trừ phiên mờ từ Các nhân là: −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 Nhân sắc nét nhấn mạnh khác biệt điểm ảnh điểm gần A B Hình 12.29 Một ví dụ hình ảnh não đăng hiển thị, hình ảnh cộng hưởng từ phù hợp (A) chồng (B) với hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ positron từ chủ đề, thể cấu trúc chức tương ứng (Xem màu.) 12.7.3 Registration and segmentation Hai nhiệm vụ để định lượng hình ảnh đăng ký phân đoạn Đăng ký hình ảnh trình việc xếp hình ảnh Mục đích để xác định việc chuyển đổi (tức là, liên kết tương đối) hai hình ảnh tốt mang lại tương đồng cấu trúc / giải phẫu tương ứng Quá trình đăng ký bao gồm ba yếu tố: phương pháp chuyển đổi, phương pháp để định lượng "phù hợp", phương pháp tối ưu Q trình tối ưu hóa bắt đầu với dự đoán ban đầu làm hình ảnh gắn kết, sau chọn lọc lại dự đoán nhằm nỗ lực để nâng cao "phù hợp" Ví dụ, phù hợp (giống nhau) định lượng tương quan cường độ ảnh Các phương pháp chuyển đổi đơn giản khơng bẻ cong, hình ảnh khác quay dịch chuyển Trong trường hợp này, trình tối ưu hóa tìm kiếm cho quay tốt thay đổi thông số dịch chuyển phù hợp Biến đổi Nonrigid cho phép cong vênh, địi hỏi nhiều thơng số để tối ưu hóa Việc sử dụng thực tế đăng ký ảnh phẫu thuật có trợ giúp hỉnh ảnh thực hiện, sử dụng x-quang, hai tuần sau phát họ công bố Tại Birmingham, Anh, vào năm 1895, người phụ nữ có kim gãy tay Chụp x-quang thực liên kết với bàn tay cơ; hình ảnh x-quang sử dụng để hướng dẫn dao mổ loại bỏ mũi kim Đăng ký hình ảnh có nhiều ứng dụng khác Hình ảnh thu từ nhiều phương thức thường cần chỉnh cho việc giải thích; Ví dụ, hình ảnh cấu trúc từ MR hình ảnh chức từ PET cung cấp thơng tin bổ sung (Hình 12.29) Các nghiên cứu liên kết nhiều hình ảnh theo thời gian, chẳng hạn xảy fMRI, địi hỏi liên kết đối tượng di chuyển trình chụp ảnh Khi hình ảnh đại diện cho chủ đề, khơng có thay đổi hình dạng, việc đăng ký địi hỏi biến đổi khơng bẻ cong Khi hình ảnh đại diện cho đối tượng khác hình dạng thay đổi, ví dụ, cho thai nhi q trình phát triển - biến đổi nonrigid (không bẻ cong) cần thiết Phân khúc trình xác định cấu trúc nhỏ (các quan, tế bào, vv) hình ảnh Pixels sau dán nhãn theo cấu trúc mà thuộc Cấu trúc xác định dựa đồng xuất HÌnh 12.30 A B C D Hình ảnh cộng hưởng từ tính não cho thấy cường độ ban đầu (A), ngang (B) dọc (C) cạnh (tối tiêu cực, tươi sáng dương tính), cạnh độ lớn (D) Một cấu trúc ,ví dụ sáng so với khu vực xung quanh: Các tiêu chí dán nhãn sau dựa độ sáng Một phương pháp đơn giản phân khúc ngưỡng: Tất điểm ảnh sáng giá trị ngưỡng dán nhãn thuộc đối tượng Độ sáng ngưỡng xác định thủ công tự động; phương pháp tự động thường dựa tiêu chí mà biểu đồ chia tốt Ngoài ra, cạnh vùng đồng tính tốn Một cách để tính cạnh cách sử dụng lọc tuyến tính, mà sử dụng để trích xuất tính định, chẳng hạn cạnh, từ hình ảnh Nhân này: −1 −1 −1 cung cấp cường độ cao cạnh thẳng đứng Giá trị dương âm tùy thuộc vào việc cạnh từ bóng tối ánh sáng sáng đến tối Các nhân tương ứng: −1− −1 0 0 1 hồi đáp với cạnh ngang Các phản hồi kết hợp để cung cấp cho cạnh góc nhìn Những cạnh sau liên kết với để tạo thành ranh giới vùng cho phép phân đoạn (Hình 12.30) Đăng ký sử dụng để phân đoạn trình gọi tập đồ - phân đoạn Là hình ảnh, tập đồ, phân đoạn đầy đủ, thủ cơng Khi hình ảnh đăng ký với hình ảnh đối tượng, ghi nhãn đồ áp dụng cho đối tượng, cho hình ảnh hồn tồn phân đoạn bước Tổng kết ■ Công nghệ tạo ảnh bên thể tỉ lệ hiển vi phát triển mạnh mẽ nâng cao đáng kể khả chẩn đoán điều trị, cung cấp mảng phương thức tạo ảnh, có điểm mạnh điểm yếu riêng ■ X-ray CT cung cấp cửa sổ bên thể người, cho ta nhìn cấu trúc ■ Siêu âm nhanh, gọn, khơng tốn kém, cung cấp ảnh động cấu trúc vận tốc ■ Nuclear medicine cho phép chức tạo ảnh thể, sử dụng pha trộn phóng xạ để định lượng thay đổi sinh lý bệnh ■ Kính hiển vi trưởng thành hàng trăm năm với tạo ảnh huỳnh quang đồng tiêu, cho phép ta thấy cấu trúc chức tỉ lệ hiển vi không gian chiều ■ Nội soi mang camera vào bên thể để tạo ảnh cấu trúc bên nhằm phục vụ cho chẩn đoán phẫu thuật ■ MRI phương thức linh hoạt nhất, cung cấp cấu trúc chức theo cách lập trình trước ■ Xử lý ảnh máy tính cần thiết cho thơng tin chất lượng nahr, tăng cường xuất cho phép việc đo đạc giải phẫu REFERENCES Gonzalez RC, Woods RE Digital Image Processing Boston, MA: AddisonWesley; 2004 FURTHER READING Bankman IN Handbook of Medical Imaging, Processing and Analysis St Louis, MO: Academic Press; 2000 Hendee WR, Ritenour R Medical Imaging Physics St Louis, MO: Mosby; 2003 Kremkau FW Diagnostic Ultrasound: Principles and Instruments Philadelphia, PA: W.B Saunders; 2002 Lacey AJ Light Microscopy in Biology: A Practical Approach Oxford, UK: IRL Press; 1989 Russ JC The Image Processing Handbook Boca Raton, FL: CRC Press; 2002 Saha GB Physics and Radiobiology of Nuclear Medicine New York: Springer; 2001 Smith RC, Lange RC Understanding Magnetic Resonance Imaging Boca Raton, FL: CRC Press; 1998 KEY CONCEPTS AND DEFINITIONS coincidence detection phương pháp mô xác định tín hiệu thời điểm computed tomography (CT) phương thức tạo ảnh y tế sử dụng tia X để tạo ảnh cấu trúc bên vật cách biên dịch chuỗi lớp cắt chiều để tạo ảnh chiều thông qua cơng nghệmáy tính contrast thay đổi tương đối cường độ (từ tối đến sáng ngược lại) vùng lân cận ảnh contrast agent chất liệu bơm vào suốt lúc tạo ảnh, ví dụ bari sunfat iốt, để khiến mô cụ thể dễ thấy suốt trình kiểm tra tạo ảnh phóng xạ cyclotron dạng gia tốc hạt dùng để tạo vật chất phóng xạ cách xen kẽ trường điện nhằm thêm lượng để hạ nguyên tử hạt digital phương thức tích trữ thơng tin điện tử qua việc sử dụng ngôn ngữ nhị phân , mảng số, tiêu biểu “1” và“0” Doppler effect thay đổi thấy rõ tần số bước sóng sóng gây thay đổi khoảng cách nguồn người quan sát electron microscopy việc sử dụng kính hiển vi với khả phóng đại vật nhỏ cách làm xiên trùm electron với nam châm điện electronic collimation thiết bị quang sử dụng camera PET bao gồm kênh dẫn mà cho phép tia gamma thâm nhập mở đầu trực tiếp dòng theo kênh endoscope máy quang dạng ống dùng suốt lúc phẫu thuật để chiếu sáng quan thể thông qua sử dụng sợi cáp quang endoscopy sử dụng cáp quang ống xếp (ống nội soi) để chiếu sáng quan bên thể nhằm kiểm tra điều trị energy window xác định dải lượng mà số lượng photon đếm đủ để đạt ảnh gamma fiber optics sợi mỏng, linh hoạt làm từ kính sử dụng để truyền ảnh tín dạng ánh sáng với tốc độ cao tín hiệu field of view vùng, khu vực thấy tạo ảnh thông qua thiết bị quang fluorophores phân tử định mà có khả phát sáng bước sóng cụ thể sau chúng đưa vào ánh sáng đặc biệt với bước sóng ngắn fourier transform phương pháp toán học mà chuyển đổi chức thành tập hợp chức dao động mà phân loại với bước sóng chúng (hoặc tần số) functional magnetic resonance imaging (fMRI) phương pháp tạo ảnh không xâm lần mà dùng sóng radio từ trường để tạo ảnh diễn tỏng não dòng máu suy nghĩ nhận thức gamma camera thiết bị sử dụng y tế nhằm quét bệnh nhân mà đưa vào vật liệu phóng xạ để tạo ảnh phóng xạ half-life thời gian cần để nửa nguyển tử nguyên tố phóng xạ tan rã iodine-131 (131I) đồng vị iốt (radioiodine), dùng y học hạt nhân cho tạo ảnh trị liệu ionizing radiation nam châm điện phóng xạ với lượng đủ để đẩy electron khỏi nguyên tử từ vật liệu mà chúng xuyên qua, chuyển nguyên tử thành ion Larmor frequency tần số mà nhân ngun tử bị kích thích tương xứng với cường độ từ trường linear filtering tiến trình nâng cao ảnh cách xác định giá trị mứi cho pixel từ tổng sản phẩm nguyên tố tương ứng magnetic resonance imaging (MRI) phương thức máy tính tạo ảnh y tế tạo ảnh mặt cắt ngang quan bên mơ thơng qua sử dụng sóng radio từ trường magnetic resonance spectroscopy (MRS) phương thức tạo ảnh mô người quan thành ảnh 3d tạo máy tính để nghiên cứu thành phần hóa học modalities loại phương thức khác dùng tạo ảnh noisiness chênh lệch giá trị chuẩn giá trị đo mà làm sai, méo tín hiệu oxygen-15 (15O) đồng vị oxy với chu kì bán rã 2.04 phút, thường dùng nghiên cứu chức hô hấp chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) piezoelectric crystal dạng đặc biệt pha lê dùng để phát siêu âm mà rung phản ứng với tín hiệu điện, điện áp điều khiển, ảnh hưởng điện áp sau nhận rung pixel đơn vị nhỏ ảnh kỹ thuật số mà hiển thị sử dụng Poisson distribution phần bố xác suất mà xảy ta đếm số lần xuất kiện cụ thể sau chuỗi dài quan sát positron emission tomography (PET) phương thức tạo ảnh y tế nguyên tử dùng để tạo ảnh chiều thể thông qua phân đồng vị phóng xạ projection bóng vật thể chiều tạo mặt phẳng radioactive molecules phân tử mà không ổn định phân rã cách tự nhiên giải phóng lượng phóng xạ radiodensity tính chất vật liệu, khả tương đối xạ điện từ xuyên qua vật chất real time ghi lại cấu trúc chức từ chuyển động nhanh mơ, ví dụ trái tim đập, ghi lại chúng tốc độ chúng xảy refraction thay đổi hướng đường tia sáng truyền qua mặt phân cách đến môi trường khác refractive index tỉ số vận tốc ánh sáng môi trường chân không vận tốc ánh sáng vật chất cụ thể registration tiến trình chỉnh ảnh thành hệ trục tọa độ nhằm xác định tốt so sánh chúng resolution cách đo độ chi tiết thấy ảnh resonant frequency tần số mà vật liệu rung tự nhiên sample tiến trình vẽ nhóm từ dân số lớn sử dụng để đánh giá tổng tính chất dân số segmentation tiến trình xác định cấu trúc nhỏ ,ví dụ quan bên tế bào ảnh signal-to-noise ratio (S/N) tạo ảnh, tỉ số tín hiệu lỗi tín hiệu (nhiễu), mà thường diễn tả deciben (dB) single photon emission computed tomography (SPECT) phương thức tạo ảnh tỏng y học nguyên tử mà tia gamma dùng để tạo lát cắt ảnh chiều thể mà chúng ảnh chiều thông việc tái xây dựng máy tính spin chuyển động electron xung quanh trụ theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ superconducting tiến trình theo dõi dịng điện nhiệt độ thấp vật liệu mà cho thấy khơng có trở dịng điện nhiệt độ technetium-99m nguyên tố phát tia gamma nhân tạo với chu kì bán rã tiếng dùng nghiên cứu chẩn đoán y học Tesla đơn vị SI dùng để diễn tả tỉ trọng trường điện từ total internal reflection phản xạ hoàn toàn ảnh sáng ranh giới vùng khác góc lớn góc ngưỡng tracers dược phẩm dùng y học nguyên tử mà chúng nuốt vào, hít vào, hay tiêm vào để theo dõi chuyển động vật chất thể ultrasound imaging lan truyền sóng âm tần số cao (2–13 MHz) qua mô nhằm ghi lại cấu trúc chức động lực chuyển động nhanh mơ, ví dụ tim đập hay phát triển thai nhi, tốc độ nơi mà chúng xảy unsharp masking tiến trình tăng độ sắc nét ảnh thơng qua thao tác máy tính cách trừ phiên mờ ảnh làm tăng độ chi tiết NOMENCLATURE A B0 c f0 Số kiện Trường điện từ Vận tốc sóng photon (e.g., sound, light) Khoảng cách Tần số (Trong hiệu ứng Doppler) Tần số sóng phản xạ nguồn (Trong hiệu ứng Doppler) N S Tần số sóng tạo từ nguồn Mức nhiễu Mức tín hiệu d f f2 Tesla (T) m/s m Hz, MHz, GHz Hz, MHz, GHz Hz, MHz, GHz S/N t T v v1 v2 Tỉ số tín hiệu nhiễu Thời gian truyền sóng Chu kỳ Vận tốc Vận tốc tia sáng tới (trong khúc xạ) Vận tộc tia sáng (trong khúc xạ) dB s s m/s m/s m/s GREEK λ θ θ1 θ2 Bước sóng (Trong hiệu ứng Doppler) Angle between the direction of flow and the ultrasound pulse (Trong khúc xạ) Góc tới tia sáng tới mặt phân cách (Trong khúc xạ) Góc khúc xạ m, nm Degrees Degrees Degrees QUESTIONS 1 bệnh nhân đến phòng cấp cứu sau bị bắn súng Phương pháp tạo ảnh mà bạn dùng để tìm viên đạn kim loại từ bạn loại bỏ viên đạn khỏi người nạn nhân ? Tưởng tượng ảnh SPECT bệnh nhân khơng có lượng phóng xạ bơm bào có số viên nhộng lấp đầy bên phóng xạ gắn vào da anh Đây gọi “fiducial markers” dùng để đăng ký ảnh khu vực chúng xác định xác Biểu đồ ảnh trông nào? Diễ tả phương pháp xác định vị trí điểm đánh dấu PROBLEMS Trong siêu âm Doppler, cho dòng X m/s, sử dụng đầu dò Y MHz , Góc lớn để dịng tạo thay đổi tần số 5%? Nếu máy dò bạn đo 250 gamma photons giây từ mẫu phóng xạ tuân theo phân bố Poisson, cần để đo để thu tỉ số tín hiệu nhiễu S/N= 10? Bước sóng phóng xạ sử dụng trọng FM radio transmission, mà đo dải tần số 88–108 MHz bao nhiêu? Cần lượng does this form of radiation carry? Bạn phải thiết kế cáp quang cho nội soi Nếu bạn sử dụng kính với chiết suất 1.5 cho vỏ, chiết suất bạn cần cho lõi để đạt góc ngưỡng 60◦? Thiết kế lọc xử lý ảnh mà cho giá trị cao cho trục ngang mỏng sáng ảnh sinh viên trình diễn máy quét nguyên tử nhận anh phân giải bình nước nhỏ mà anh cố tạo ảnh Anh xác định khoảng cách nhỏ độ collimator dẫn Anh định đếm nhiều, chất lượng ảnh tốt anh loại bỏ collimator tạo ảnh, sử dụng NaI pha lê Quan điểm bạn ý kiến đó? Diễn đạt (sử dụng hình vẽ), giải thích sao? Do cố phần cứng máy quét MRI, sung RF bị tăng gấp so với bình thường.Phần quản lý máy qt quan sát khơng có tín hiệu đặt sung 900 a Tại sao, giả định bạn không cảnh báo cố, bạn tìm điểm bất thường này? b Tại lại khơng có tín hiệu? c Điều xảy ra, giả định bạn cảnh báo cố, bạn làm để thu tín hiệu lớn nhất? ( Hướng dẫn θ flip = γ B1T, γ tỉ lệ từ hồi chuyển, B1 từ độ lớn sung RF, T chu kỳ) bác sĩ X quang nhờ bạn giúp xác định bướu bênh nhân anh tăng kích thước lên Anh có khó khăn cường độ liên hệ mơ bướu mơ xung quanh gần nhau; nhiên, anh biết tỉ lệ độ dãn T T2 loại mô Từ thông tin này, bạn vẽ đường cong độ dãn a Hình ( hay k phải nào) đồ thị hữu dụng sao? b Bạn đặt thời gian phản hồi lặp lại để tối đa độ tương phản (xấp xỉ) ? T1 Thời gian phản hồi T2 Thời gian lặp lại ... dựa mổ xẻ (Hình 12.2) Hình vẽ cách lưu giữ phát minh máy chụp ảnh kỷ 19 đời (Hình 12.3) Bởi cho phép ghi lại hình ảnh, máy ảnh bước cách mạng cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh Cơng nghệ chụp ảnh sớm kết... Xử lý phân tích hình ảnh Máy tính kỹ thuật hình ảnh đóng vai trị trung tâm cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh Nhiều hình ảnh sinh học khơng tốt khơng có hình ảnh kỹ thuật số, xử lý, Hình 12.26 Ví dụ... phản sử dụng rộng rãi công nghệ chẩn đốn hình ảnh Các phần tử dày đặc cung cấp độ tương phản hình ảnh tia X : Các loại chất tăng cường độ tương phản hình ảnh tạo cơng nghệ hình ảnh khác.X quang chụp