PHOTOACOUSTIC IMAGING

Photoacoustic Imaging (PAI) là kỹ thuật lai nằm giữa Siêu âm và Quang học, cung cấp độ tương phản phân tử cao hơn Siêu âm thông thường nhưng với chi phí thấp hơn và tốc độ quét nhanh hơn so với MRI.

Bảng so sánh tổng quan

Tiêu chí	Photoacoustic Imaging (PAI)	Siêu âm (Ultrasound)	Chụp cộng hưởng từ (MRI)
Cơ chế tạo độ tương phản	Quang học: Sự hấp thụ ánh sáng đặc trưng của các phân tử (Hemoglobin, Melanin, Lipids...)	Cơ học: Sự khác biệt về trở kháng âm (âm trở) giữa các mô	Từ tính: Mật độ hạt Proton (H^+) và thời gian thư giãn từ T_1, T_2
Độ sâu xuyên thấu	Trung bình: 2 – 5 cm (bị giới hạn bởi sự tán xạ ánh sáng)	Cao: Lên tới 15 – 20 cm	Rất cao: Không giới hạn độ sâu (quét toàn bộ cơ thể)
Độ phân giải không gian	Rất cao: Từ vài µm đến hạ mm (tùy theo độ sâu)	Trung bình – Cao: 0.1 – 1 mm	Cao: 0.5 – 1 mm
Chẩn đoán chức năng và Phân tử	Rất mạnh: Đo trực tiếp nồng độ oxy hóa máu (sO_2), bão hòa Hemoglobin mà không cần thuốc nhuộm	Hạn chế: Chủ yếu đánh giá cấu trúc và dòng chảy mạch máu lớn qua hiệu ứng Doppler	Mạnh: Thông qua kỹ thuật BOLD fMRI, perfusion, diffusion nhưng cần thời gian xử lý phức tạp
Tốc độ chụp và Cơ động	Thời gian thực, thiết bị nhỏ gọn, cơ động	Thời gian thực, cực kỳ cơ động	Chậm (mất 15–45 phút/lần chụp), thiết bị cố định
Chi phí đầu tư và Vận hành	Trung bình (có thể nâng cấp từ hệ thống máy siêu âm hiện có)	Thấp	Rất cao (chi phí lắp đặt, làm mát Heli, bảo trì lớn)
Hạn chế lớn nhất	Tán xạ ánh sáng làm giảm độ phân giải theo độ sâu; bị cản bởi xương và không khí	Độ tương phản mô mềm kém giữa các mô có mật độ cơ học tương đồng	Chống chỉ định với người có dị vật kim loại, máy tạo nhịp tim, thời gian quét lâu

Phân tích chi tiết

1. PAI so với Siêu âm thông thường (Ultrasound)

• Điểm vượt trội của PAI: Siêu âm thông thường khó phân biệt được hai loại mô mềm có cùng độ đàn hồi/mật độ. PAI giải quyết vấn đề này bằng cách dùng tương phản quang học, giúp phân biệt rõ mạch máu, khối u bám vi mạch hay các mảng xơ vữa chứa mỡ mà siêu âm dễ bỏ sót.

• Điểm yếu của PAI: Ánh sáng bị tán xạ và suy giảm nhanh trong mô sinh học. Do đó, PAI không thể chẩn đoán các cơ quan ở rất sâu trong ổ bụng hay tim như siêu âm tim/siêu âm tổng quát.

2. PAI so với Cộng hưởng từ (MRI)

• Điểm vượt trội của PAI:

• Chi phí và tiếp cận: PAI rẻ hơn rất nhiều, có thể đưa đến tận giường bệnh nhân hoặc phòng phẫu thuật.

• Thời gian: PAI thu hình ảnh thời gian thực (Real-time), giúp theo dõi động lực học mạch máu tức thì, trong khi MRI mất nhiều thời gian chụp và dễ bị nhiễu do chuyển động thở/nhịp tim.

• An toàn: Không lo rủi ro từ từ trường mạnh, an toàn cho bệnh nhân có cấy ghép kim loại.

• Điểm yếu của PAI: MRI vẫn là "tiêu chuẩn vàng" cho việc chụp cấu trúc não sâu, tủy sống và toàn bộ cấu trúc xương-khớp nội tạng mà ánh sáng laser của PAI không thể xuyên tới.

Photoacoustic Imaging (PAI - Chẩn đoán hình ảnh quang âm) :

Nguyên lý hoạt động

Phương pháp này vận hành dựa trên hiệu ứng quang âm (Photoacoustic Effect):

1. Chiếu xung Laser: Chiếu các xung laser ngắn (thường ở bước sóng cận hồng ngoại - NIR) vào mô sinh học.

2. Hấp thụ và Giãn nở nhiệt: Các phân tử hấp thụ ánh sáng tự nhiên trong cơ thể (gọi là chromophores như Hemoglobin, Melanin, Lipids, Nước) hấp thụ năng lượng quang học này và chuyển hóa thành nhiệt năng nhẹ, làm nhiệt độ tăng cục bộ trong thời gian cực ngắn.

3. Phát sóng siêu âm: Sự tăng nhiệt đột ngột gây ra hiện tượng giãn nở nhiệt đàn hồi (thermoelastic expansion), tạo ra các sóng siêu âm tần số cao lan truyền ra ngoài.

4. Thu tín hiệu và Tái tạo hình ảnh: Đầu dò siêu âm ngoài da thu nhận các sóng âm này và dùng thuật toán máy tính để tái tạo thành hình ảnh cấu trúc hoặc bản đồ chức năng mô hình học thời gian thực.

Ưu điểm

• An toàn cao: Không sử dụng bức xạ ion hóa (như tia X trong CT scan).

• Hình ảnh chức năng (Functional Imaging): Ngoài cấu trúc giải phẫu, PAI cho phép đo chính xác nồng độ oxy hóa của máu (sO_2) và lưu lượng máu nhờ sự chênh lệch mức độ hấp thụ ánh sáng giữa Oxyhemoglobin và Deoxyhemoglobin.

• Độ phân giải và độ sâu vượt trội: Khắc phục được hạn chế tán xạ ánh sáng của các phương pháp quang học truyền thống khi đi sâu vào mô (> 2–5 cm).

Ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y khoa

1. Tầm soát và Chẩn đoán Ung thư

• Ung thư vú: Phát hiện sớm các khối u nhờ khả năng nhận diện hiện tượng tăng sinh mạch máu bất thường (neovascularization) xung quanh tế bào ung thư.

• Ung thư da (Melanoma): Melanin hấp thụ ánh sáng laser rất mạnh, giúp PAI phát hiện chính xác độ sâu và phạm vi vi xâm lấn của các tế bào u hắc tố.

• Ung thư tuyến tiền liệt và cổ tử cung: Kết hợp đầu dò siêu âm nội soi để xác định ranh giới khối u rõ ràng hơn.

2. Bệnh lý Mạch máu và Tim mạch

• Bản đồ hệ mạch máu nhỏ (Microvasculature): Hiển thị chi tiết vi mạch máu ở mức độ mao mạch.

• Xơ vữa động mạch: Phân biệt các thành phần mảng xơ vữa giàu lipid dễ vỡ bằng cách quét ở các bước sóng laser phù hợp.

3. Thần kinh học và Chức năng Não bộ

• Chụp ảnh chức năng não (fPACT): Theo dõi sự biến đổi lưu lượng máu và mức độ oxy hóa máu ở vỏ não thời gian thực, phục vụ nghiên cứu phản ứng thần kinh, hành vi và các rối loạn não bộ.

P4. Hướng dẫn Phẫu thuật và Điều trị Trúng đích

• Xác định bờ phẫu thuật: Hỗ trợ bác sĩ phẫu thuật loại bỏ trọn vẹn khối u mà không làm tổn thương mô lành xung quanh.

• Kết hợp chất tương phản Nano: Sử dụng các hạt nano vàng hoặc chất nhuộm tương phản quang âm để dẫn đường điều trị, đưa thuốc trúng đích đến khối u.

 Tạo hình quang âm hoặc quang học âm là một phương thức hình ảnh mới tiếp cận bằng cách  kết hợp chiếu sáng quang học và  sau đó phát hiện  sóng siêu âm được  phóng thích do sự giãn nở nhiệt đàn hồi 7 . 

Nội dung:

• Ứng dụng lâm sàng
• Kỹ thuật
• Xem thêm
• Các bài viết liên quan
• Tài liệu tham khảo

Ứng dụng lâm sàng

Hình ảnh quang âm có tiện ích lâm sàng hạn chế và chưa  phổ biến. Về nguyên tắc, vì nguồn sáng có thể được tích hợp vào đầu dò siêu âm, hình ảnh quang âm trở thành một phương pháp bổ trợ cho siêu âm thường quy. 

Khía cạnh hứa hẹn nhất của hình ảnh quang âm trong  lâm sàng là khả năng phát hiện có chọn lọc các chất hấp thụ ánh sáng tự nhiên với phổ hấp thụ quang học khác biệt, chẳng hạn như hemoglobin , lipid, collagen và melanin 1,7 . 

Các chất tương phản quang âm ngoại sinh cũng có thể được sử dụng, bao gồm thuốc nhuộm và cấu trúc nano với nhiều thành phần khác nhau 7 .

Các chất tạo màu nội sinh

Hình ảnh quang âm sử dụng chất tạo màu nội sinh có thể phân biệt deoxyhemoglobin và hemoglobin, trực tiếp hình dung tình trạng thiếu máu cục bộ/thiếu oxy. Tương tự, hình ảnh mạch máu mô đã được thực hiện thành công (ví dụ: hình ảnh ung thư vú , khối u da, tổn thương da do bệnh vảy nến, quá trình lành vết thương và viêm khớp nhỏ) 2-5 .

Các tổn thương nông, có sắc tố (ví dụ như u hắc tố ) cũng có thể được quan sát trực tiếp.

Hình ảnh quang âm cũng đã được đề xuất để hình ảnh hóa trong bệnh Crohn 6 . 

Các chất tạo màu ngoại sinh

Một số loại thuốc nhuộm đã được FDA phê duyệt để sử dụng trong lâm sàng, bao gồm indocyanine green, Evans blue và methylene blue 1,7 .

Mặc dù các hạt nano có thành phần khác nhau (ví dụ: kim loại, hữu cơ, chất bán dẫn vô cơ và carbon) có tiềm năng hữu ích làm mục tiêu cho hình ảnh quang âm, nhưng độc tính tiềm tàng của chúng đã hạn chế việc nghiên cứu 7 .

Kỹ thuật

Nguyên lý vật lý

Hình ảnh quang âm khai thác sự giãn nở nhiệt đàn hồi; khả năng của một số hợp chất hấp thụ photon có bước sóng cụ thể, chuyển đổi năng lượng này thành nhiệt và sự giãn nở cấu trúc. Sự giãn nở này, đến lượt nó, tạo ra sóng áp suất lan truyền ra khỏi mô. Sau đó, đầu dò siêu âm có thể phát hiện những sóng này 7 .

Thông thường, người ta sử dụng xung ánh sáng cực ngắn (nanogiây), băng thông hẹp của laser hoặc đèn LED để kích thích các mô sinh học.

Tần số cần thiết cho hình ảnh quang âm phụ thuộc vào mục tiêu, với các yêu cầu khác nhau đối với các chất tạo màu nội sinh và chất tương phản ngoại sinh khác nhau 7 .

 Âm học Vật lý

Hình ảnh quang âm và siêu âm laser

Chụp ảnh quang âm là một phương pháp không xâm lấn, khai thác độ tương phản dựa trên sự hấp thụ của hình ảnh quang học và độ phân giải cao cùng khả năng truyền sóng sâu của siêu âm. Các ứng dụng lâm sàng tiềm năng rất rộng rãi, bao gồm việc xác định đặc điểm của khối ung thư và các mạch máu bị bệnh. Tại Phòng thí nghiệm Âm học Vật lý, chúng tôi sử dụng một hệ thống hoàn toàn quang học để thu được hình ảnh quang âm băng thông rộng và hình ảnh siêu âm laser chỉ với một thiết lập duy nhất. Hình ảnh quang âm cung cấp thông tin về các chất hấp thụ quang học trong mô, chẳng hạn như lipid hoặc hemoglobin; trong khi siêu âm laser nhạy cảm với các chất tán xạ âm thanh như vôi hóa.

Nghiên cứu của chúng tôi bao gồm nhiều lĩnh vực rộng lớn trong kỹ thuật hình ảnh quang âm. Trước tiên, chúng tôi áp dụng cả các phương pháp thu thập dữ liệu và tái tạo hình ảnh đã biết và mới, có nguồn gốc từ địa vật lý, để cải thiện độ phân giải và độ rõ nét của hình ảnh . Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc chụp ảnh sâu bên trong mô không đồng nhất, nơi sự tán xạ của sóng âm có thể làm giảm đáng kể chất lượng hình ảnh. Chúng tôi cũng đang phát triển các thiết bị dò âm không tiếp xúc để mở rộng các ứng dụng lâm sàng tiềm năng cho kỹ thuật hình ảnh quang âm.












Sự tạo thành và lan truyền sóng quang âm (bên trái) và sự tạo thành và tán xạ sóng siêu âm laser (bên phải).












Hình ảnh quang âm (màu đỏ) và hình ảnh siêu âm laser (màu xám) của động mạch bị bệnh. Các lớp của thành động mạch (1-3) cũng như sự vôi hóa (4) được xác định bằng mũi tên. Một hiện tượng phản xạ quang âm giả được biểu thị bằng mũi tên màu trắng

Các ấn phẩm liên quan:

van der Neut, J., Johnson, JL, van Wijk, K., Singh, S., Slob, E., Wapenaar, K. (2017). Phương trình Marchenko cho các bài toán nguồn âm nghịch đảo . Tạp chí của Hiệp hội Âm học Hoa Kỳ, 141, 4332-4346.

Johnson, JL, Shragge, J., van Wijk, K. Hệ thống hình ảnh siêu âm laser quang học toàn phần không đồng tiêu cự và hình ảnh quang âm để chụp ảnh mô sâu phụ thuộc góc. Tạp chí Quang học Y sinh . 22 (4), 041014.

Johnson, JL, van Wijk, K., Caron, JN, và Timmerman, M. (2016). Phát hiện âm thanh laser ghép khí như một bộ dò đường không tiếp xúc cho
hình ảnh quang âm và siêu âm . Tạp chí Quang học, 18.
Johnson, JL, van Wijk, K., Caron, James N., Timmerman, M. (2016). Hình ảnh quang âm và siêu âm với đầu dò đường âm laser ghép khí. Kỷ yếu của SPIE, bài báo 9708-38.

Johnson, J. L, Shragge, J., van Wijk, K (2015). Tái tạo hình ảnh dữ liệu quang âm và siêu âm laser đa kênh bằng phương pháp dịch chuyển ngược thời gian . Kỷ yếu của SPIE, Tập 9223, bài báo 932314.

Johnson, JL, van Wijk, K., Sabick, M. (2014). Đặc trưng hóa động mạch ảo bằng siêu âm laser đa kênh và quang âm . Siêu âm trong Y học Sinh học, 40(3).

Johnson, J., Sabick, M., VanWijk, K. (2013). Phát hiện quang âm hoàn toàn của các chất hấp thụ trong mô hình mô . Tạp chí Thiết bị Y tế, 7(3).

Johnson, JL (2013). Hướng tới việc mô tả đặc điểm cấu trúc mạch máu bị bệnh bằng cách sử dụng hình ảnh quang âm và siêu âm laser không tiếp xúc: Một nghiên cứu trên mô hình . (Luận văn thạc sĩ, Đại học Boise State).

Đại học Auckland 

SARCOPENIA in Elderly People and US

 

Siêu âm cơ đánh giá hội chứng thiếu cơ (Sarcopenia) ở người cao tuổi bằng cách đo lường cả khối lượng cơ (định lượng) lẫn chất lượng cơ (định tính) ngay tại giường.

Các chỉ số siêu âm chính

• Độ dày cơ (Muscle Thickness - MT): Đo khoảng cách vuông góc giữa mạc cơ nông và mạc cơ sâu. Độ dày cơ giảm trực tiếp phản ánh tình trạng teo cơ (atrophy) do lão hóa hoặc ít vận động.

• Diện tích mặt cắt ngang (Cross-Sectional Area - CSA): Thường đo trên mặt cắt ngang của cơ thẳng đùi (RF-CSA). Chỉ số này tương quan chặt chẽ với tổng khối lượng cơ tứ chi (ASM) đo bằng DXA hoặc BIA.

• Độ hồi âm cơ (Echo Intensity - EI / Grayscale Density): Cơ khỏe mạnh có hồi âm kém. Khi xảy ra thoái hóa mỡ (myosteatosis) hoặc xơ hóa mô cơ ở người già, độ hồi âm sẽ tăng lên khiến mô cơ trở nên sáng hơn.

• Góc hướng sợi cơ (Pennation Angle - PA): Là góc tạo bởi các bó cơ và màng gân. Góc hướng sợi cơ giåm là dấu hiệu giảm lực cơ và suy thoái cấu trúc cơ.

Kỹ thuật và vị trí siêu âm tiêu chuẩn

Vị trí khảo sát được ưu tiên là nhóm cơ tứ đầu đùi (đặc biệt là Cơ thẳng đùi - Rectus Femoris và Cơ rộng giữa - Vastus Intermedius), do đây là nhóm cơ chịu lực chính và giảm khối lượng nhanh nhất khi người cao tuổi nằm lâu hoặc suy dinh dưỡng.

1. Chuẩn bị: Người bệnh nằm ngửa thả lỏng hoàn toàn hai chân (hoặc ngồi tựa lưng nhẹ).

2. Xác định vị trí: Đặt đầu dò tại vị trí giữa đùi hoặc 2/3 đường nối từ gai chậu trước trên đến bờ trên xương bánh chè.

3. Thao tác: Dùng đầu dò thẳng tần số cao (Linear probe 7.5–12 MHz). Người thực hiện phủ lớp gel siêu âm đủ dày và đặt đầu dò nhẹ nhàng, không ấn mạnh để tránh làm đè bẹp mô cơ làm sai lệch độ dày.

Phân tích Độ hồi âm (Echo Intensity - EI) trên ảnh siêu âm thang xám (Grayscale) là phương pháp để đánh giá chất lượng cơ và tình trạng thâm nhiễm mỡ trong cơ (Myosteatosis) ở người cao tuổi.

Nguyên lý cơ bản: Mô cơ khỏe mạnh chứa nhiều nước và protein nên có hồi âm kém. Khi người già bị thoái hóa cơ, mô mỡ và mô xơ thay thế các sợi cơ sẽ phản xạ sóng âm mạnh hơn, khiến mô cơ trở nên tăng hồi âm.

Phương pháp 1: Phân tích định lượng bằng phần mềm (ImageJ)

Đây là phương pháp chuẩn trong nghiên cứu và lâm sàng, chuyển đổi độ sáng của hình ảnh thành chỉ số số học trên thang xám từ 0 (đen hoàn toàn) đến 255 (trắng hoàn toàn).

Quy trình 4 bước thực hiện:

1. Chuẩn hóa thông số máy siêu âm (Bắt buộc):

• Để so sánh được giữa các bệnh nhân hoặc theo dõi tiến triển, các thông số máy phải giữ cố định tuyệt đối: Gain (Độ phóng đại), Dynamic Range (Dải động), Depth (Độ sâu), Focus (Tiêu điểm) và TGC (Bù nhiệt độ áp điện).

2. Thu nhận hình ảnh:

• Cắt ngang nhóm cơ mục tiêu (ví dụ: Cơ thẳng đùi -Rectus Femoris). Thao tác đầu dò nhẹ nhàng, tránh không đè ép làm thay đổi mật độ mô. Xuất file định dạng không nén (DICOM hoặc TIFF).

3. Phân tích trên phần mềm ImageJ (Miễn phí từ NIH):

• Mở file ảnh trong ImageJ -------> Chuyển chế độ ảnh về 8-bit Grayscale.

• Dùng công cụ Freehand Selection để khoanh vùng quan tâm (ROI - Region of Interest): Vẽ sát viền trong của cơ, loại bỏ màng bao cơ (fascia) và bóng xương vì chúng có độ sáng rất cao làm lệch kết quả.

• Chọn Analyze -------'>Measure để lấy giá trị Mean Gray Value (Giá trị trung bình thang xám chính là chỉ số EI).

4. Hiệu chỉnh theo độ dày mỡ dưới da (Subcutaneous Fat Thickness - SFT):

• Lớp mỡ dưới da dày sẽ làm suy giảm chùm tia siêu âm trước khi đến mô cơ bên dưới. Nếu lớp mỡ dưới da > 0,5 cm cần áp dụng công thức hiệu chỉnh EI dựa trên độ dày mỡ dưới da để tránh kết quả EI bị thấp giả tạo.

Phương pháp 2: Đánh giá bán định lượng theo Thang điểm Heckmatt

Nếu không có phần mềm chuyên dụng, bác sĩ siêu âm có thể đánh giá nhanh chất lượng cơ ngay tại giường dựa trên Thang điểm Heckmatt (Heckmatt Scale):

Giá trị lâm sàng ở người cao tuổi

• Phát hiện Béo phì thiếu cơ (Sarcopenic Obesity): Nhiều người già có thể trạng mập mạp, khối lượng cơ đo được trên siêu âm (độ dày/diện tích) chưa giảm nhiều, nhưng chỉ số EchoIntensity ( EI ) tăng cao. Điều này phản ánh cơ đã bị "rỗng" và thay thế bằng mỡ.

• Dự báo nguy cơ té ngã và yếu cơ: Chỉ số EI cao tương quan thuận với sự giảm lực co cơ tối đa, giảm tốc độ đi bộ và tăng nguy cơ té ngã, độc lập với khối lượng cơ.