Multispectral imaging phân tích da hoạt động thế nào?

Giá trị của MSI xuất phát từ việc melanin, hemoglobin và các thành phần mô không hấp thụ, phản xạ và tán xạ ánh sáng giống nhau ở mọi bước sóng. Phần mềm có thể khai thác những khác biệt đó để làm nổi bật hoặc ước tính sự phân bố của từng nhóm đặc điểm. Tuy nhiên, đây là phép suy luận từ tín hiệu quang học qua mô hình và hiệu chuẩn, chứ thiết bị không trực tiếp “nhìn thấy” từng phân tử bên dưới da.

Vì sao nhiều dải sáng làm rõ đặc điểm da hơn ảnh RGB?

Ảnh RGB thông thường gom ánh sáng vào ba kênh rộng đỏ, lục và lam. Cách này phù hợp để tái tạo màu nhìn thấy, nhưng có thể làm mất những khác biệt phổ nhỏ giữa các vùng da trông tương tự nhau. MSI thu nhiều dải phổ được lựa chọn riêng; nhờ đó, tại một vị trí trên da, hệ thống có thêm chuỗi giá trị cường độ theo bước sóng thay vì chỉ ba giá trị màu. Đây chính là phần thông tin mà ảnh RGB thông thường không cung cấp đầy đủ.

Cơ sở của sự khác biệt nằm ở các chromophore của da. Trong vùng khả kiến, melanin và hemoglobin là hai thành phần ảnh hưởng mạnh đến hấp thụ ánh sáng. Melanin có phổ hấp thụ rộng và xu hướng giảm khi bước sóng tăng, còn oxyhemoglobin và deoxyhemoglobin có những vùng hấp thụ đặc trưng riêng. Bước sóng cũng ảnh hưởng đến mức độ ánh sáng có thể thăm dò các lớp mô khác nhau.

Vì vậy, một vùng da có thể cho tín hiệu tương đối thấp ở dải này nhưng cao hơn ở dải khác. Mẫu biến thiên đó tạo thành đặc trưng phổ mà thuật toán có thể sử dụng để phân tách những yếu tố đang bị trộn lẫn trong ảnh màu.

Lợi thế này không đồng nghĩa MSI luôn tạo ảnh sắc nét hơn về mặt không gian. Độ nét vẫn phụ thuộc vào cảm biến, ống kính, tiêu cự và bố trí chụp; MSI chủ yếu bổ sung khả năng phân biệt theo chiều phổ.

Thiết bị multispectral imaging thu dữ liệu da như thế nào?

Một hệ thống MSI dùng cho da thường thu dữ liệu theo một trong hai nguyên lý. Với hệ chủ động, LED hoặc nguồn sáng khác lần lượt chiếu các dải bước sóng đã chọn lên vùng da, camera chụp ảnh phản xạ sau mỗi lần chiếu. Với hệ thụ động, da được chiếu bằng nguồn sáng phổ rộng, còn bộ lọc quang học trước cảm biến lần lượt chọn từng dải trước khi ánh sáng đi vào camera.

Không có một số lượng bước sóng bắt buộc cho mọi thiết bị. Một tổng quan về các hệ thống MSI da công bố năm 2023 ghi nhận các cấu hình nghiên cứu sử dụng khoảng 3–30 bước sóng, trong đó nhiều hệ dùng khoảng 8 dải. Điều này cho thấy số dải chỉ là một tham số thiết kế; nhiều dải hơn chưa chắc tốt hơn nếu chúng không tạo thêm độ tương phản phổ hữu ích hoặc làm thời gian chụp tăng quá mức.

Sau khi thu ảnh, thiết bị phải chuẩn hóa tín hiệu theo nguồn sáng và đáp ứng cảm biến, đồng thời căn chỉnh các ảnh về cùng vị trí. Các lớp ảnh có thể được xếp thành một khối dữ liệu với hai chiều không gian x–y và một chiều bước sóng λ. Mỗi điểm ảnh vì thế mang cả vị trí trên da và tín hiệu tương ứng tại các dải đã ghi.

Nếu các dải được chụp tuần tự, chuyển động của khuôn mặt giữa hai lần ghi có thể khiến các lớp ảnh lệch nhau. Đây là lý do tốc độ thu nhận, cố định tư thế và thuật toán đăng ký ảnh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phân tích.

Một số hệ thống còn sử dụng phân cực chéo. Hai bộ phân cực vuông góc giúp giảm phản xạ bóng trực tiếp từ bề mặt và tăng tỷ lệ tín hiệu khuếch tán đã đi qua mô nông trước khi trở lại camera. Nhờ vậy, sắc tố và cấu trúc mạch dưới bề mặt có thể rõ hơn. Tuy nhiên, phân cực là một kỹ thuật quang học bổ trợ; nó không đồng nghĩa với multispectral imaging.

Từ phản xạ phổ đến bản đồ melanin và hemoglobin

Ảnh đa phổ thô chưa phải là “bản đồ melanin” hay “bản đồ đỏ da”. Giá trị ban đầu mà cảm biến nhận được chủ yếu là cường độ ánh sáng tại từng vị trí và bước sóng. Sau hiệu chuẩn, phần mềm có thể chuyển tín hiệu này thành phản xạ tương đối, mật độ quang học hoặc những đại lượng trung gian khác.

Bước tiếp theo là phân tích cách tín hiệu thay đổi theo bước sóng. Thuật toán sử dụng kiến thức về phổ hấp thụ của melanin, oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin cùng mô hình truyền ánh sáng trong da để ước tính mức đóng góp của các thành phần đó. Các nghiên cứu MSI da đã sử dụng các ảnh ở những bước sóng được lựa chọn dựa trên vùng hấp thụ đặc trưng, sau đó tính các tham số hoặc bản đồ phân bố chromophore.

Về mặt toán học, một số phương pháp sử dụng mật độ quang học và các mô hình gần với nguyên lý Beer–Lambert; những phương pháp khác dùng mô hình tán xạ phức tạp hơn hoặc thuật toán học máy. Lý do cần mô hình là da không phải dung dịch đồng nhất: ánh sáng vừa bị hấp thụ vừa bị tán xạ nhiều lần, nên một thay đổi cường độ không thể mặc nhiên quy về duy nhất một chất.

Đầu ra cuối cùng có thể là bản đồ giả màu, chỉ số hoặc vùng phân đoạn. Chẳng hạn, phần mềm có thể biểu diễn nơi tín hiệu phù hợp với lượng melanin tương đối cao hơn, vùng có thành phần liên quan hemoglobin nổi bật hơn hoặc khu vực có đặc trưng phổ khác nền xung quanh.

Do đó, từ cần chú ý khi đọc kết quả là ước tính. Giá trị trên bản đồ phụ thuộc vào dữ liệu gốc, hiệu chuẩn và mô hình chuyển đổi; nó không phải phép đếm trực tiếp số phân tử melanin hay hemoglobin trong mô.

Mỗi dải sáng thường cung cấp loại thông tin gì?

Không tồn tại quy tắc tuyệt đối kiểu “một bước sóng tương ứng một vấn đề da”. Phổ hấp thụ của nhiều thành phần chồng lấn nhau, nên thiết bị thường cần tổ hợp nhiều dải để tách tín hiệu.

Trong vùng khả kiến, hemoglobin có các đặc trưng hấp thụ mạnh ở vùng xanh lục. Dữ liệu quang học được tổng hợp trong y văn ghi nhận oxyhemoglobin có các đỉnh nổi bật khoảng 542 và 577 nm, còn deoxyhemoglobin có đỉnh khoảng 555 nm; melanin lại hấp thụ trên một vùng phổ rộng và giảm dần khi bước sóng tăng. Chính sự khác biệt về hình dạng phổ này giúp nhiều dải sáng phân biệt ảnh hưởng của máu và sắc tố tốt hơn việc nhìn vào một kênh màu riêng lẻ.

Trong các hệ thống nghiên cứu, những bước sóng quanh 525–540 nm thường được chọn để tăng độ nhạy với thành phần liên quan máu, trong khi khoảng 650–660 nm cung cấp độ tương phản khác giữa hemoglobin và melanin. Các dải gần 900–950 nm đã được sử dụng để bổ sung thông tin quang học từ vùng mô sâu hơn so với nhiều dải khả kiến. Đây là các ví dụ thiết kế, không phải bộ bước sóng tiêu chuẩn áp dụng cho mọi thiết bị.

Nếu một máy có thêm UV hoặc Wood’s light, cơ chế có thể bao gồm hấp thụ và huỳnh quang của các thành phần trên hoặc gần bề mặt. Một số hệ thống chụp toàn mặt kết hợp ánh sáng trắng, UV và ánh sáng phân cực để tạo các loại ảnh khác nhau. Những chế độ này có thể nằm chung trong một thiết bị phân tích da, nhưng ảnh UV, ảnh phân cực và ảnh đa phổ không phải ba cách gọi cho cùng một kỹ thuật.

Điểm quan trọng vì thế không phải tên màu của đèn, mà là thiết bị đã thu dải phổ nào, theo cơ chế phản xạ hay huỳnh quang, và lớp kết quả được tính bằng mô hình nào.

MSI cho thấy gì và không cho thấy gì trong phân tích da?

Khi được thu nhận và hiệu chuẩn đúng, MSI có thể làm nổi bật sự phân bố sắc tố, tín hiệu quang học liên quan hemoglobin hoặc đỏ da và những vùng có đáp ứng phổ khác biệt. Vì mỗi giá trị vẫn gắn với tọa độ trên ảnh, hệ thống còn giữ được thông tin về vị trí và diện tích của vùng biến đổi.

Độ tin cậy của kết quả lại phụ thuộc mạnh vào điều kiện đo. Cường độ và phổ của nguồn sáng, đáp ứng cảm biến, khoảng cách, góc chụp, phản xạ bóng trên bề mặt và chuyển động đều có thể tác động đến dữ liệu. Các hệ thống spectral imaging vì thế cần kiểm soát nguồn sáng, camera, bước tiền xử lý và hiệu chuẩn trước khi tính toán trên khối ảnh phổ.

Các yếu tố sinh lý cũng có thể gây nhiễu. Lượng máu tại da thay đổi theo áp lực, nhiệt độ hoặc trạng thái tuần hoàn; melanin và hemoglobin lại có vùng hấp thụ chồng lấn. Vì vậy, thay đổi tín hiệu tại một dải đơn lẻ không đủ để khẳng định nguyên nhân. Đây cũng là lý do thiết bị thường phải phối hợp nhiều dải và mô hình tách thành phần.

MSI cũng không phải một phương pháp “nhìn xuyên da” theo nghĩa tạo ảnh cắt lớp. Bước sóng khác nhau có thể thăm dò thể tích mô khác nhau, nhưng tín hiệu camera thu được vẫn là tổng hợp của hấp thụ và tán xạ trên đường đi của photon. Muốn suy ra nồng độ hoặc đặc điểm ở sâu hơn cần mô hình phù hợp và dữ liệu kiểm định.

Với các thiết bị chăm sóc da hoặc thẩm mỹ, bản đồ màu vì thế nên được hiểu là công cụ mô tả và theo dõi tín hiệu quang học. Không nên tự chuyển một chỉ số hay vùng màu thành chẩn đoán bệnh nếu hệ thống chưa được thiết kế và kiểm định cho mục đích chẩn đoán đó.

Nên hiểu kết quả multispectral imaging trên thiết bị phân tích da thế nào?

Khi xem báo cáo của một máy phân tích da, câu hỏi hữu ích hơn “vùng đỏ hay nâu có nhiều không?” là lớp kết quả này được tạo từ chế độ quang học nào. Một vùng tối trên ảnh UV không mang cùng ý nghĩa với chỉ số sắc tố được suy ra từ nhiều bước sóng phản xạ; tương tự, ảnh phân cực chéo làm rõ tín hiệu dưới bề mặt nhưng không tự động trở thành phép đo lưu lượng máu.

Nếu mục tiêu là theo dõi thay đổi, nên so sánh bằng cùng một thiết bị và quy trình chụp càng ổn định càng tốt. Làm sạch da nhất quán, giữ vị trí khuôn mặt tương tự, kiểm soát ánh sáng ngoài hệ thống và hạn chế chuyển động giúp giảm những khác biệt không xuất phát từ bản thân da.

Không nên coi một con số là giá trị tuyệt đối nếu không biết đơn vị, cách hiệu chuẩn và ngưỡng tham chiếu của thiết bị. Với spectral imaging, độ lặp lại và độ tái lập là các đặc tính có thể được kiểm chứng thực nghiệm; các nghiên cứu xác nhận hệ thống đã sử dụng cả mẫu phản xạ chuẩn lẫn phép đo lặp giữa thời điểm và người vận hành để đánh giá hai đặc tính này.

Để đánh giá một hệ thống có thực sự khai thác multispectral imaging hay chỉ dùng thuật ngữ tiếp thị, có thể kiểm tra bốn thông tin kỹ thuật: các dải bước sóng được thu, phương pháp hiệu chuẩn phản xạ, mô hình tạo bản đồ và dữ liệu về độ lặp lại hoặc độ tái lập. Những thông tin này cho biết “nhiều dải sáng” có tạo thêm dữ liệu quang học đo được hay không.

Multispectral imaging phân tích da hoạt động bằng cách ghi cùng một vùng da ở nhiều dải bước sóng, đo sự thay đổi của ánh sáng sau khi tương tác với mô và dùng mô hình xử lý để chuyển các khác biệt phổ thành bản đồ hoặc chỉ số. Melanin, hemoglobin và các thành phần khác có đáp ứng quang học khác nhau nên MSI có thể tách những đặc điểm khó nhận biết chỉ từ ảnh RGB.

Ý nghĩa của kết quả phụ thuộc vào bước sóng được chọn, hiệu chuẩn, kiểm soát phản xạ bề mặt, thuật toán và điều kiện chụp. Vì vậy, MSI phù hợp nhất khi được hiểu như một phương pháp đo quang học có kiểm soát để mô tả và theo dõi đặc điểm da, thay vì xem mọi lớp màu do thiết bị tạo ra là hình ảnh trực tiếp của cấu trúc bên dưới.