วิธีการสร้างภาพและฟิสิกส์

วิธีการสร้างภาพและฟิสิกส์เป็นสาขาหนึ่งของกายวิภาคทางรังสีวิทยาที่เกี่ยวข้องกับหลักการทางฟิสิกส์ที่ใช้ในการสร้างภาพตัดขวางและภาพฉายของร่างกายสิ่งมีชีวิต และเกี่ยวข้องกับวิธีการที่การเลือกวิธีการสร้างภาพส่งผลต่อข้อมูลทางกายวิภาคที่สามารถมองเห็นได้ ครอบคลุมวิธีการที่ใช้รังสีแตกตัวเป็นไอออน (การถ่ายภาพรังสี, การถ่ายภาพรังสีฟลูออโรสโคปี, การถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์, เวชศาสตร์นิวเคลียร์), การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และอัลตราซาวด์ ซึ่งแต่ละวิธีจะตรวจสอบเนื้อเยื่อผ่านสัญญาณทางกายภาพที่แตกต่างกัน

Definition

การสร้างภาพวินิจฉัยประกอบด้วยเทคนิคที่สร้างภาพแสดงโครงสร้างภายในร่างกายโดยการตรวจจับว่าหัววัดทางกายภาพ — รังสีเอกซ์, สัญญาณความถี่วิทยุจากการหมุนของนิวเคลียส, เสียงความถี่สูง หรือรังสีที่ปล่อยออกมาจากสารติดตาม — มีปฏิกิริยากับเนื้อเยื่ออย่างไร

Scope

สาขานี้จะช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจประเภทของการสร้างภาพวินิจฉัยที่ใช้ในการแสดงกายวิภาค: แต่ละวิธีสร้างความแตกต่างของภาพได้อย่างไร, ปริมาณทางกายภาพใดที่ถูกนำมาสร้างแผนที่ และข้อดีข้อเสียระหว่างความละเอียดเชิงพื้นที่, ความแตกต่างของเนื้อเยื่อ, เวลาในการเก็บข้อมูล และการได้รับรังสีของผู้ป่วย โดยจะพิจารณาวิธีการเหล่านี้เป็นเครื่องมือสำหรับการแสดงภาพกายวิภาคปกติและกายวิภาคที่แตกต่างกันไป ไม่ใช่คู่มือสำหรับการตัดสินใจทางคลินิก

Sub-topics

• Computed Tomography Imaging
• Magnetic Resonance Imaging
• Nuclear Medicine and PET Imaging
• Radiography and Fluoroscopy
• Ultrasound and Sonography

Core questions

• สัญญาณทางกายภาพใดที่แต่ละวิธีตรวจจับได้ และคุณสมบัติของเนื้อเยื่อใดที่สัญญาณนั้นสร้างแผนที่?
• ความละเอียดเชิงพื้นที่, ความแตกต่างของภาพ, ความเร็วในการเก็บข้อมูล และการได้รับรังสี มีความสัมพันธ์กันอย่างไรในแต่ละวิธี?
• วิธีใดที่แสดงโครงสร้างทางกายวิภาคหรือชนิดเนื้อเยื่อที่กำหนดได้ดีที่สุด?
• ความเข้มของภาพถูกปรับเทียบอย่างไรเพื่อให้การวัดสามารถเปรียบเทียบกันได้ในเครื่องสแกนและศูนย์ต่างๆ?

Key concepts

• ความแตกต่างของภาพและต้นกำเนิดทางกายภาพ
• ความละเอียดเชิงพื้นที่และเชิงเวลา
• อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน
• รังสีแตกตัวเป็นไอออนเทียบกับรังสีไม่แตกตัวเป็นไอออน
• การลดทอนและมาตราส่วนเฮาส์ฟิลด์
• การผ่อนคลายของเนื้อเยื่อและความต้านทานเสียง
• การสร้างภาพเชิงปริมาณและการกำหนดมาตรฐาน

Mechanisms

แต่ละวิธีจะสร้างแผนที่ปฏิกิริยาทางกายภาพที่แตกต่างกัน การถ่ายภาพรังสีและการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์จะวัดการลดทอนรังสีเอกซ์ที่แตกต่างกันโดยเนื้อเยื่อ โดย CT จะสร้างแผนที่ตัดขวางของการลดทอนในหน่วยเฮาส์ฟิลด์ (Hounsfield, 1973) การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเข้ารหัสสัญญาณนิวเคลียร์เรโซแนนซ์แม่เหล็กที่แยกตามพื้นที่ของนิวเคลียสไฮโดรเจน โดยใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของความหนาแน่นของโปรตอนและเวลาการผ่อนคลาย (Lauterbur, 1973) อัลตราซาวด์จะสร้างภาพจากเสียงสะท้อนของเสียงความถี่สูงที่ขอบเขตความต้านทานเสียง เวชศาสตร์นิวเคลียร์และ PET จะสร้างแผนที่การกระจายตัวของสารเภสัชรังสีที่ให้ไปแทนที่จะเป็นกายวิภาคโดยตรง เนื่องจากความแตกต่างของภาพเกิดจากคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน วิธีการเหล่านี้จึงเสริมซึ่งกันและกัน และพื้นฐานทางฟิสิกส์หลายอย่างได้สรุปไว้ในตำราฟิสิกส์การแพทย์มาตรฐาน (Bushberg et al., 2012)

Clinical relevance

ความเข้าใจในฟิสิกส์ของวิธีการสร้างภาพเป็นพื้นฐานของการอ่านกายวิภาคปกติและรูปแบบที่แตกต่างกันทางรังสีวิทยา เนื่องจากโครงสร้างเดียวกันจะปรากฏแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสัญญาณที่ตรวจจับได้ การตระหนักถึงการได้รับรังสีแตกตัวเป็นไอออน โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ จะช่วยในการพิจารณาว่าการสร้างภาพถูกนำมาใช้เป็นทรัพยากรสำหรับประชากรอย่างไร (Brenner & Hall, 2007) บทความนี้อธิบายวิธีการสร้างภาพกายวิภาคและไม่ได้เป็นพื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

Epidemiology

การถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งได้กลายเป็นแหล่งสำคัญและเพิ่มขึ้นของการได้รับรังสีทางการแพทย์ในระบบสุขภาพหลายแห่ง ซึ่งกระตุ้นให้เกิดความสนใจในการให้เหตุผลและการปรับปริมาณรังสีให้เหมาะสม (Brenner & Hall, 2007) การสร้างภาพเชิงปริมาณ — การพิจารณาการวัดที่ได้จากภาพเป็นตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ — ได้กระตุ้นให้เกิดมาตรฐานการวัดทางมาตรวิทยาอย่างเป็นทางการ เพื่อให้ค่าต่างๆ สามารถเปรียบเทียบกันได้ในอุปกรณ์และช่วงเวลาที่แตกต่างกัน (Sullivan et al., 2015)

History

การถ่ายภาพรังสีแบบฉายภาพตามมาหลังจากการค้นพบรังสีเอกซ์ของรอนต์เกนในปี 1895 และครองการสร้างภาพทางกายวิภาคมานานหลายทศวรรษ การสร้างภาพตัดขวางเกิดขึ้นพร้อมกับการอธิบายการถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ของเฮาส์ฟิลด์ในปี 1973 และในปีเดียวกันนั้น เลาเทอร์เบอร์ได้แสดงให้เห็นว่านิวเคลียร์เรโซแนนซ์แม่เหล็กที่แยกตามพื้นที่สามารถสร้างภาพได้ ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อัลตราซาวด์และการสร้างภาพเวชศาสตร์นิวเคลียร์พัฒนาขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน และทศวรรษต่อมาได้เพิ่มการสร้างภาพเชิงปริมาณและมาตรฐาน ซึ่งถูกกำหนดไว้ในแนวทางการวัดทางมาตรวิทยา (Sullivan et al., 2015)

Key figures

• Godfrey Hounsfield
• Paul Lauterbur
• Allan Cormack
• Peter Mansfield

Seminal works

• hounsfield-1973
• lauterbur-1973

Frequently asked questions

อะไรคือสิ่งที่ทำให้วิธีการสร้างภาพแต่ละวิธีแตกต่างกัน?

แต่ละวิธีตรวจจับสัญญาณทางกายภาพที่แตกต่างกัน: การลดทอนรังสีเอกซ์ (การถ่ายภาพรังสี, การถ่ายภาพรังสีฟลูออโรสโคปี, CT), สัญญาณเรโซแนนซ์แม่เหล็กของนิวเคลียสไฮโดรเจน (MRI), เสียงความถี่สูงที่สะท้อนกลับ (อัลตราซาวด์) หรือรังสีที่ปล่อยออกมาจากสารติดตาม (เวชศาสตร์นิวเคลียร์และ PET) สัญญาณจะเป็นตัวกำหนดว่าคุณสมบัติของเนื้อเยื่อใดที่ถูกสร้างแผนที่และดังนั้นจึงเห็นความแตกต่างของภาพอย่างไร

วิธีใดที่ใช้รังสีแตกตัวเป็นไอออน?

การถ่ายภาพรังสี, การถ่ายภาพรังสีฟลูออโรสโคปี, การถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ และเวชศาสตร์นิวเคลียร์ (รวมถึง PET) ใช้รังสีแตกตัวเป็นไอออน ในขณะที่การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและอัลตราซาวด์ไม่ได้ใช้