Luận án Tran Trung Nghia: Tái tạo ảnh 3D xuyên sáng động vật với giảm tán xạ

Hình ảnh 3D cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và chức năng. Nó giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ thể sống. Trong hình ảnh tiền lâm sàng, khả năng quan sát không xâm lấn là vô giá. Nó cho phép theo dõi các quá trình sinh học theo thời gian. Điều này loại bỏ nhu cầu hy sinh động vật cho mỗi điểm dữ liệu. Phương pháp này hỗ trợ phát triển thuốc và nghiên cứu bệnh lý.

Các phương pháp hình ảnh hiện có thường đòi hỏi thiết bị lớn. Chúng có thể xâm lấn hoặc cần tính toán phức tạp. X-quang và MRI hiệu quả nhưng không lý tưởng cho mọi ứng dụng, đặc biệt với động vật thử nghiệm. Chúng có thể gây căng thẳng hoặc yêu cầu gây mê sâu. Đối với ảnh 3D mô mềm, các kỹ thuật này có thể không cung cấp đủ độ phân giải. Một số nghiên cứu yêu cầu phân tích cấu trúc vi mô, đòi hỏi phương pháp khác.

Hình ảnh không xâm lấn cho phép quan sát liên tục. Nó giúp theo dõi sự phát triển bệnh hoặc hiệu quả điều trị. Phát hiện chảy máu nội bộ, nhiễm trùng, hoặc hình thành mạch máu đều khả thi. Nguyên tắc quang phổ mở ra khả năng hình ảnh chức năng. Sử dụng chất tương phản đặc biệt, giá trị hình ảnh cận hồng ngoại (NIR) tăng lên đáng kể. Điều này giúp cải thiện độ phân giải ảnh quang học và cung cấp dữ liệu 3D mô mềm cho mục đích nghiên cứu.

Mô sinh học là môi trường tán xạ mạnh. Ánh sáng NIR đi qua mô bị phân tán theo nhiều hướng. Điều này làm cho ảnh xuyên sáng trở nên mờ. Thông tin về vị trí chính xác của vật thể hấp thụ bị mất. Giảm tán xạ ánh sáng NIR là yếu tố then chốt. Nó quyết định khả năng tái tạo ảnh 3D chính xác. Hiểu rõ mô hình truyền photon trong mô là cần thiết để xử lý vấn đề này.

Các kỹ thuật hiện tại gặp khó khăn trong việc khắc phục tán xạ. Hình ảnh thu được thiếu độ sắc nét. Việc tái tạo ảnh 3D chính xác từ ảnh xuyên sáng động vật trở nên phức tạp. Tomography quang học khuếch tán (DOT) là một kỹ thuật phổ biến. Nó đã tái tạo ảnh cắt ngang vú người và đầu trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, DOT đòi hỏi tính toán lớn. Ví dụ như phương pháp phần tử hữu hạn. Nó cũng cần thiết bị cồng kềnh với nhiều bó sợi quang.

Cần một phương pháp hiệu quả hơn để giảm tán xạ ánh sáng NIR. Kỹ thuật mới phải đơn giản hơn, yêu cầu thiết bị nhỏ gọn. Nó cũng cần giảm đáng kể nỗ lực tính toán. Mục tiêu là tái tạo cấu trúc 3D với thuật toán lọc chiếu ngược thông thường. Điều này có thể thực hiện được với camera CCD hoặc CMOS. Việc cải thiện độ phân giải ảnh quang học là ưu tiên hàng đầu để có được ảnh 3D mô mềm rõ nét.

Phương pháp đề xuất sử dụng ảnh xuyên sáng động vật từ dải cận hồng ngoại. Nó cho phép tái tạo ảnh 3D quang học một cách hiệu quả. Kỹ thuật này được thiết kế để hoạt động với các thiết bị đơn giản hơn. Nó giảm bớt gánh nặng tính toán so với DOT. Mục tiêu là mang lại một công cụ hình ảnh tiền lâm sàng dễ tiếp cận hơn. Điều này giúp các nhà nghiên cứu quan sát cấu trúc bên trong mà không gây hại cho động vật.

Để giảm tán xạ, kỹ thuật giải chập bằng hàm tán sắc điểm (PSF) rất hiệu quả. PSF cho nguồn sáng bên trong môi trường đã được nghiên cứu. Nó được suy ra bằng cách áp dụng phương pháp xấp xỉ khuếch tán. Với độ sâu nguồn sáng đã biết, phân bố ánh sáng được phục hồi rõ ràng. Điều này thực hiện thông qua việc giải chập với PSF. Áp dụng PSF này vào ảnh xuyên sáng cấu trúc hấp thụ ánh sáng hứa hẹn tái tạo ảnh 3D quang học chất lượng cao.

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã xác nhận khả năng áp dụng PSF. PSF cho nguồn sáng có thể dùng trong ảnh xuyên sáng của cấu trúc hấp thụ. Tính hiệu quả của kỹ thuật này cũng được xác nhận. Thí nghiệm thực hiện trên mô hình tương đương mô và mô động vật. Điều này khẳng định tiềm năng của phương pháp. Nó mở đường cho việc cải thiện độ phân giải ảnh quang học và tái tạo ảnh 3D mô mềm chính xác hơn.

Đặc tính phụ thuộc độ sâu của PSF là một thách thức. Để khắc phục, thuật toán tái tạo ảnh 3D mới đã được phát triển. Nó cho phép xử lý các cấu trúc hấp thụ ở nhiều độ sâu khác nhau. Các ảnh giải chập được tạo ra từ nhiều PSF, mỗi PSF tương ứng với một độ sâu. Việc này đảm bảo tính chính xác cho ảnh 3D mô mềm phức tạp. Đây là một cải tiến đáng kể trong việc cải thiện độ phân giải ảnh quang học.

Ảnh chiếu ban đầu chứa cả phân bố hấp thụ thực sự. Nó cũng chứa các chiếu không được giải chập hoàn toàn. Điều này có thể gây ra lỗi. Để khắc phục, một quy trình 'loại bỏ' đã được đề xuất. Một ảnh cắt ngang ban đầu được tái tạo từ nhiều ảnh chiếu theo các hướng khác nhau. Ảnh này được sử dụng như một khuôn mẫu. Nó giúp loại bỏ phân bố sai lệch trong mặt cắt ngang. Quá trình này cải thiện chất lượng của ảnh chiếu và ảnh 3D mô mềm.

Sau khi áp dụng quy trình loại bỏ, một ảnh chiếu cải tiến được hình thành. Ảnh này đã giảm hiệu quả ảnh hưởng của phân bố sai lệch. Sử dụng các ảnh chiếu từ nhiều hướng trong quá trình này, một ảnh cắt ngang được cải thiện có thể tái tạo. Với các ảnh cắt ngang ở các độ cao khác nhau, hình ảnh 3D có thể được xây dựng hoàn chỉnh. Thuật toán tái tạo ảnh 3D này tối ưu hóa độ chính xác. Nó nâng cao độ phân giải ảnh quang học, cho phép hình ảnh sinh học cận hồng ngoại chi tiết.

Mô phỏng máy tính được thực hiện để đánh giá thuật toán. Các điều kiện tán xạ và hấp thụ được mô phỏng. Kết quả cho thấy phương pháp mới có thể tái tạo ảnh 3D từ ảnh xuyên sáng động vật hiệu quả. Độ chính xác của ảnh 3D mô mềm được cải thiện đáng kể. Điều này khẳng định cơ sở lý thuyết của kỹ thuật. Nó cũng chứng minh khả năng giảm tán xạ ánh sáng NIR trong môi trường lý tưởng.

Ngoài mô phỏng, các thí nghiệm thực tế đã được tiến hành. Một mô hình vật lý (phantom) được sử dụng để kiểm tra. Mô hình này mô phỏng đặc tính quang học của mô sinh học. Kết quả từ thí nghiệm mô hình đã chứng minh tính hiệu quả. Thí nghiệm tiếp theo trên mô động vật cũng cho thấy kết quả khả quan. Những bước này là cần thiết để xác nhận tính ứng dụng của phương pháp. Nó cho thấy khả năng tái tạo ảnh 3D mô mềm thực tế.

Cuối cùng, khả năng áp dụng kỹ thuật cho động vật sống đã được kiểm tra. Một con chuột được gây mê và cố định trong một xi lanh trong suốt. Điều này cho phép tạo ra ảnh xuyên sáng chất lượng tốt. Kỹ thuật này mở ra tiềm năng lớn trong hình ảnh tiền lâm sàng. Nó cung cấp một công cụ không xâm lấn để nghiên cứu cấu trúc bên trong. Đây là bước tiến quan trọng cho hình ảnh sinh học cận hồng ngoại. Nó giúp giảm thiểu việc sử dụng động vật thử nghiệm, đồng thời cải thiện độ phân giải ảnh quang học.