Làm thế nào để nhìn vào bên trong cơ thể? Chụp hình y khoa đã và sẽ mở ra những kỷ nguyên y học mới

Nếu đã từng nằm trong phòng cấp cứu với một chiếc xương bị gãy ở đâu đó, chờ chụp MRI sau một cú ngã đập đầu hoặc siêu âm thai nhi, bạn hẳn sẽ biết các công nghệ chụp ảnh y tế quan trọng đến cỡ nào. Nếu từng được chẩn đoán viêm ruột thừa, đột quỵ hoặc có một khối u... những lần chụp phim này có lẽ đã cứu bạn sống sót.

Trong khi công nghệ chụp ảnh y tế ngày nay đã cho chúng ta một sức mạnh để "nhìn" vào bên trong cơ thể, những công cụ của ngày mai sẽ vẫn còn mạnh mẽ hơn nữa. Khoa học đằng sau lĩnh vực này đã tiến bộ nhảy vọt trong vài thập kỷ gần đây.

Các công nghệ chụp ảnh y tế vẫn được mong đợi sẽ thay đổi cả tương lai của y học, một lần nữa, như nó đã từng làm được trong quá khứ.

Từ quá khứ đến hiện tại

Trong hàng thế kỷ, cách duy nhất để nhìn vào bên trong cơ thể là… mổ. Những cuộc phẫu thuật “để nhìn” này tiềm ẩn nhiều nguy cơ cho bệnh nhân sống như nhiễm trùng, mất máu...

Phải đến tận năm 1895, khi nhà khoa học Wilhelm Roentgen phát hiện ra sự tồn tại của tia X, các bác sĩ mới có được công cụ để soi vào tận xương mà không cần rạch cơ thể bệnh nhân. Thế nhưng, ngay cả X-quang cũng mới chỉ là sự khởi đầu. Chúng ta đã có thêm:

Chụp cắt lớp vi tính (CT) là kỹ thuật chụp sử dụng nhiều tia X kết hợp bằng thuật toán để tạo thành một hình ảnh tổng hợp. Hình ảnh này cung cấp một cái nhìn chi tiết hơn về các cơ quan, mô và xương bên trong cơ thể.

Chụp cắt lớp phát xạ Positron (PET) là kỹ thuật cho phép xác định những thay đổi ở cấp độ tế bào: Sau khi bệnh nhân uống một chất dò phóng xạ, máy PET sẽ theo dõi các chất này khi nó di chuyển trong cơ thể. PET không chỉ hữu ích trong chẩn đoán bệnh, kỹ thuật này còn cho phép theo dõi sự tiến triển của bệnh, chẳng hạn như quá trình di căn ung thư.

Chụp phát xạ positron PET hoạt động như thế nào?

Mặc dù những kỹ thuật chụp ảnh y tế này rất cần thiết với y học, không phải không có những rủi ro. Ngay cả một tia X duy nhất cũng khiến bệnh nhân nhiễm một lượng nhỏ bức xạ ion hóa. Theo thời gian, nó có thể gây ra những vấn đề sức khỏe. Điều tốt nhất mà các bác sĩ có thể làm hiện nay là hạn chế, chụp X-quang càng ít càng tốt.

Trong một số trường hợp, bệnh nhân có thể được chỉ định sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh y tế khác, không dùng bức xạ. Lấy ví dụ về một kỹ thuật phổ biến, siêu âm, sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tái tạo hình ảnh cơ quan trong các khoang của cơ thể.

Siêu âm rất hữu ích trong việc giúp các bác sĩ chẩn đoán các tình trạng như u nang buồng trứng và sỏi mật. Các thủ thuật xâm lấn nhẹ như lắp ống thông niệu quản hoặc nội soi dạ dày trở nên dễ dàng hơn, nếu bác sĩ dùng siêu âm để biết họ đang làm gì.

Mặc dù vậy, đa số chúng ta quen thuộc với siêu âm, khi kỹ thuật này thực hiện một nhiệm vụ có phần thiêng liêng là chụp ảnh những thai nhi trong bụng mẹ.

Không để lại nguy cơ như các kỹ thuật sử dụng tia X, nhưng nhược điểm của siêu âm là nó chỉ có thể cho hình ảnh có độ phân giải thấp. Điều đó có nghĩa là siêu âm không thể phát hiện được sự khác biệt giữa u ác tính và u nang. Chấn đoán được các tình trạng y tế kiểu này đòi hỏi các kỹ thuật chụp ảnh y tế có độ phân giải cao hơn và sinh thiết.

Chất lượng hình ảnh siêu âm cũng khác nhau, tùy thuộc vào kỹ năng của bác sĩ. Một bác sĩ kém có thể làm cho hình ảnh siêu âm không đáng tin cậy, nhiều khi trở thành vấn đề đe dọa tính mạng.

Một hình ảnh siêu âm thai nhi trong bụng mẹMột hình ảnh siêu âm thai nhi trong bụng mẹ

Tất cả những kỹ thuật chụp ảnh y tế đã liệt kê phía trên đã thổi làn gió mới với cách các bác sĩ điều trị cho bệnh nhân. Tuy nhiên, vẫn có một kỹ thuật nổi bật hẳn lên: Chụp cộng hưởng từ (MRI), thứ có thể cung cấp một cái nhìn thoáng qua về các mô và cơ quan bên trong toàn bộ cơ thể. Và MRI là một trong những phương pháp tốt nhất để chụp ảnh não bộ hiện tại.

Được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1970, MRI sử dụng kết hợp sóng radio và từ trường để tạo hình ảnh của các cơ quan nội tạng, mô mềm, xương, dây chằng và sụn.

Cơ thể con người chứa đầy các phân tử nước chứa proton, những phân tử mà sẽ sắp hàng khi được cho tiếp xúc với từ trường ngoài. Máy cộng hưởng từ phát ra từ trường và sóng radio kích thích các phân tử sắp hàng, sau đó tắt sóng radio để thu các tín hiệu phát ra từ những phân tử và dựng lại hình ảnh các cơ quan bên trong cơ thể.

Do các tín hiệu thu được bắt nguồn từ proton của các nguyên tử trong mô, độ phân giải của ảnh MRI tốt hơn ảnh chụp cắt lớp CT rất nhiều. Ảnh MRI rõ nét hơn đồng thời cho phép dựng các ảnh dọc, ảnh ngang, ảnh chéo, ảnh không gian ba chiều chất lượng cao.

Trong khi MRI rất hữu ích trong việc tìm ra những bất thường của dòng máu bên trong não, một người anh em gần gũi, Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của các tế bào trong não, nơi chứa đựng rất nhiều bí ẩn về con người đang chờ được tiếp tục khám phá.

Nguyên lý hoạt động của chụp cộng hưởng từ MRI

Còn rất nhiều thứ đang chờ được nhìn thấy

Mặc cho bệnh nhân sẽ được hưởng lợi rất nhiều, đôi khi sự sống của họ còn phụ thuộc vào các công nghệ chụp ảnh y tế mới, nghiên cứu trong lĩnh vực này nhận được ít sự quan tâm hơn mong đợi.

Viện Y tế quốc gia Hoa Kỳ (NIH) dành chưa tới 2% nguồn tài trợ cho các đơn vị nghiên cứu X-quang học, Richard Ehman - một bác sĩ chẩn đoán X quang và giám đốc phòng thí nghiệm Công nghệ Hình ảnh Y khoa Cao cấp của Mayo, cho biết.

Nhưng mặc dù dậm chân tại chỗ, các phương pháp chụp ảnh y tế hiện đại vẫn rất hữu ích cho các bác sĩ lâm sàng. Vì vậy, thay vì tạo ra các kỹ thuật mới, hầu hết các nhà nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tinh chế các kỹ thuật hiện có, làm cho chúng tốt hơn.

Trong một cuộc phỏng vấn với tạp chí Nature, Roderic Pettigrew, giám đốc của Viện Quốc gia về Hình ảnh y tế và sinh học, nói rằng các máy MRI ngày nay rất chuyên để có thể "theo dõi sự khuếch tán các phân tử nước trong não”, cho phép bác sĩ nhiều thông tin hơn để chẩn đoán, theo dõi và điều trị một số bệnh thần kinh phức tạp.

Các máy MRI tiên tiến nhất hiện nay đã có mặt trong các cơ sở nghiên cứu. Nhưng những cỗ máy này không phải là thứ bạn có thể nhìn thấy tại bệnh viện địa phương. Khi hệ thống y tế đang phải vật lộn với áp lực cắt giảm chi phí mà không ảnh hưởng đến chất lượng chăm sóc bệnh nhân, toàn bộ các khoa chẩn đoán hình ảnh vì thế đã bị bỏ rơi và trở nên tụt hậu.

Có thể dễ hiểu tại sao các bệnh viện sẽ sử dụng thế hệ máy cộng hưởng từ cũ, chứ không phải loại mới nhất. Ngay tại Mỹ, một số bệnh viện vẫn phải chạy những cỗ máy rất lạc hậu.

"Hầu hết các bác sĩ sẽ có một chút khó khăn để tưởng tượng xem, họ sẽ chăm sóc bệnh nhân như thế nào nếu không có những thiết bị hiện đại", Ehman từ Mayo cho biết. Mặc dù không có bất kỳ bác sĩ phương Tây nào không có khả năng chụp ảnh y tế, sự tự mãn và sự thiếu quan tâm đến nghiên cứu các kỹ thuật hình ảnh hiện đại hơn đang cản trở sự đổi mới.

Đó chính là một sự trì trệ, đang ngăn cản chúng ta phóng cái nhìn sâu sắc hơn vào bên trong cơ thể. Trong khi, vẫn còn rất nhiều thứ đang chờ đợi được nhìn thấy.

Ảnh chụp cộng hưởng từ toàn thân, những gì mà MRI có thể nhìn thấy bên trong cơ thể

Tiến về phía trước

Trong 30 năm qua, thiết kế của các thế hệ máy MRI đã phát triển để có thể chụp nhanh hơn, êm hơn và mạnh mẽ hơn - phần lớn là dựa vào các bộ vi xử lý nhanh hơn của máy tính. Sự phát triển của chúng còn lâu mới dừng lại, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học California Berkeley đã chứng minh điều đó. Họ là một tập hợp bao gồm các nhà vật lý và kỹ sư đã được trao 13,43 triệu USD từ NIH để phát triển thế hệ tiếp theo của máy fMRI, được gọi là NexGen 7T vào năm 2019.

Sức mạnh của máy MRI được đo bằng Teslas (T), đơn vị thể hiện sức mạnh của từ trường cỗ máy phát ra. Khi từ trường của cơ thể chúng ta (mô chứa các phân tử nước tích điện dương) tương tác với từ trường của máy MRI, mô sẽ phát ra một tín hiệu năng lượng.

Khi sức mạnh của từ trường ngoài cao hơn, cường độ của tín hiệu này càng lớn, và độ phân giải của hình ảnh thu được càng cao. Ngày nay, những máy MRI mạnh nhất trên thế giới (thường được giữ trong các cơ sở nghiên cứu và trung tâm y tế học thuật) có từ trường trong khoảng 7T đến 10T. Những loại máy cộng hưởng từ phổ thông khác xuất hiện ở bệnh viện có từ trường yếu hơn nhiều, từ 1,5T tới 3T.

Ở 3T, các máy MRI có đủ độ phân giải, độ nhanh và chính xác để chẩn đoán thường xuyên. Các cỗ máy này có thể phát hiện những tổn thương rất nhỏ trong não của bệnh nhân bị đa xơ cứng, mà một máy MRI yếu hơn không thể làm được.

Nhưng liệu các máy MRI có thể cho phép chúng ta đi sâu hơn nữa, để nhìn thấy nhiều hơn nữa và làm nên những điều ngoạn mục?

Chúng ta sẽ có thể tìm hiểu về sự tiến triển của các bệnh thoái hóa thần kinh như chứng đa xơ cứng (MS), nếu có khả năng nhìn thấy các dây thần kinh bị mất myelin trong thời gian thực?

Nếu có thể nhìn thấy cấu trúc của não một cách chi tiết hơn, chúng ta có thể biết thêm được gì về chứng trầm cảm, rối loạn lo âu, tâm thần phân liệt, hoặc tự kỷ? Và rồi khi chúng ta nhìn thấy rõ các sợi trục và nơ-ron thần kinh, nhiều quá trình xảy ra trong não sẽ được hé lộ, liệu cuối cùng chúng ta có thể giải quyết được những vấn đề mà một số triết gia gọi là "vấn đề khó hiểu”, đọc và giải mã được cả những tín hiệu trong não bộ?

Để đưa chúng ta gần hơn tới một tương lai như thế, các nhà nghiên cứu cần phải thiết kế lại toàn bộ các thành phần của máy cộng hưởng từ, chứ không phải chỉ nâng cấp nó một chút, David Feinberg, trưởng nhóm nghiên cứu tại UC Berkeley cho biết.

Trong một động thái khác, một nhóm nghiên cứu từ UC Berkeley trong năm nay cũng đã ra mắt một thiết bị cho phép chụp MRI an toàn và hiệu quả hơn hướng tới đối tượng trẻ em – giải quyết vấn đề tồn đọng bấy lâu trong lĩnh vực này khi trẻ em phải đối mặt với nhiều nguy cơ khi sử dụng chung máy MRI với người lớn.

Một nhà vật lý, một kỹ sư điện và một nhà nghiên cứu X quang đã hợp tác cùng nhau để tạo ra những cuộn từ linh hoạt, có thể in 3D và gắn vào quần áo. Các hình ảnh chụp MRI từ thiết bị mặc được này cũng rất sắc nét, có thể sử dụng cho cả người lớn. Bây giờ nhóm UC Berkeley đang làm việc với GE để tiếp tục phát triển thiết bị này, nó hoàn toàn có thể là một phần của thế hệ cuộn cảm MRI tiếp theo.

Những cuộn cảm của UC Berkeley có thể được tích hợp vào quần áo để chụp MRI cho trẻ em

Ứng dụng của các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến sẽ vượt xa khả năng sử dụng hiện tại của chúng ta. Như Ehman đã lưu ý, có một số yếu tố lâm sàng cần phải đánh giá trong quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh nhân.

Một ví dụ là làm thế nào để đo áp suất trong cơ thể con người. Ở thời điểm hiện tại, chúng ta phải sử dụng phương pháp xâm lấn, gây đau và không thoải mái, chẳng hạn như chọc một kim vào tủy sống. Các thủ thuật này cũng đi kèm với nhiều rủi ro nhất định.

Trước đây, chính kỹ thuật chụp ảnh y tế đã giúp chúng ta không phải mổ cơ thể người bệnh để nhìn vào trong. Có lẽ một ngày nào đó, các công nghệ mới cũng có thể khiến kim chọc và ống thông trở nên lỗi thời.

Hình ảnh y tế tốt hơn cũng mang lại cơ hội giúp chúng ta nhìn thấy các yếu tố sinh học chưa từng biết đến. Chỉ có một điều không bao giờ thay đổi, càng nhiều câu trả lời chúng ta có được, sẽ lại càng có nhiều câu hỏi mới được đặt ra. Điều này có thể sẽ định hình con đường nghiên cứu y học trong nhiều thập kỷ tới.

Những tiến bộ khác trong chụp ảnh y khoa cũng có thể đem lại chất lượng phục vụ tốt hơn cho bệnh nhân phổ thông. Tại Bệnh viện đa khoa Massachusetts, nhà vật lí Matthew Rosen đang nghiên cứu các công cụ lâm sàng thường được kết hợp với các máy MRI, chẳng hạn như thuốc cản quang. Nhóm của ông đang phát triển kim cương nano tổng hợp, tương thích sinh học để thay thế thuốc cản quang kiểu truyền thống dựa trên kim loại.

Rosen cho biết trong một thông cáo báo chí, rằng kích thước nhỏ bé của những tinh thể kim cương này có thể cho phép các bác sĩ X quang theo dõi bất kỳ quá trình nào ở cấp độ tế bào, thậm chí dưới tế bào. “Kim cương nano có tiềm năng cách mạng hóa lĩnh vực hình ảnh phân tử”, ông nói.

Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications hồi tháng 3, nhóm của Rosen đã tiến hành các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Họ đang tìm cách để đưa được những tinh thể kim cương nano vào cơ thể con người một cách tốt nhất (qua các con đường như ống tiêu hóa, truyền tĩnh mạch hoặc tiêm). Còn một chặng đường dài để đi, trước khi bệnh nhân có một chất cản quang kim cương trong danh sách tùy chọn của MRI.

Ứng dụng của các kỹ thuật hình ảnh tiên tiến sẽ vượt xa khả năng sử dụng hiện tại của chúng ta

Trong suốt 1 thế kỷ qua, tiến bộ của công nghệ đã thay đổi cách chúng ta làm việc, cách chúng ta giao tiếp và cách chúng ta hẹn hò. Điều tương tự cũng xảy ra trong y tế, cụ thể hơn là lĩnh vực chụp hình y khoa. Các tiến bộ dường như vẫn đang tiếp tục – các máy tính vẫn đang mạnh lên, chúng ta có trí tuệ nhân tạo, tự động hóa và deep learning để cải thiện mọi công nghệ y tế từ chụp hình tới phẫu thuật.

"Tôi nghĩ trong tương lai, chúng ta có thể sẽ nhìn lại thời điểm này và thấy mình đang ứng dụng rất hạn chế những công nghệ chụp ảnh y tế tốt nhất", Ehman cho biết. (Có rất nhiều lý do phức tạp giải thích cho điều này, tài trợ chính phủ và những thách thức trong việc áp dụng công nghệ chăm sóc sức khỏe mới).

Mặc cho những thách thức còn nhiều, Ehman vẫn hy vọng tương lai của công nghệ chụp ảnh y tế sẽ một lần nữa thay đổi cả nền y tế. Có lẽ chúng ta chưa thể đếm ngược tới cuộc phục hưng ấy, nhưng có một tầm nhìn rõ ràng, không nghi ngờ gì, cho một số tiến bộ sắp tới trong lĩnh vực chụp hình y tế - chúng ta nên mong đợi những tiến bộ này trong niềm hứng khởi.