Báo cáo BTL Vi Xử Lý Bài dịch Công nghệ chẩn đoán hình ảnh 1 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ====o0o==== BÁO CÁO BÀI DỊCH CÔNG NGHỆ CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I Đề tài CT ĐA LÁT CẮT CÔNG NGHỆ HIỆN TẠI VÀ SỰ PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện Trần Văn Gạo 20121582 KT ĐTTT 09 – K57 Hà Nội, 122016 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC A TÓM TẮT 4 B NỘI DUNG 5 1 GIỚI THIỆU 5 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 10 2 1 GIÀN QUAY 11 2 2 ỐNG X.
NỘI DUNG
GIỚI THIỆU
Năm 1972, kỹ sư G.N Hounsfield đã phát triển máy CT X-quang đầu tiên cho công ty EMI, sử dụng hệ thống bóng X-quang và hai hàng đầu dò, cho phép thu được 12 lát cắt dày 13 mm và tái tạo ảnh với ma trận 80×80 pixels trong 35 phút Mặc dù máy quét CT đã có sự cải tiến đáng kể đến năm 1989, nhưng không có sự phát triển mới cơ bản nào trong công nghệ máy CT thông thường Thời gian thu ảnh đã giảm từ 300 giây vào năm 1972 xuống còn 1-2 giây, độ dày lát cắt giảm xuống còn 1 mm, và độ phân giải mặt phẳng tăng từ 3 cặp dòng mỗi cm lên 10-15 lp/cm với ma trận 512×512.
1.1a,b Sự phát triển của cắt lớp điện toán theo thời gian a Hình ảnh mặt cắt ngang của não
CT chùm điện tử (EBT hay EBCT) là một loại máy chụp CT siêu nhanh, tuy nhiên, giá thành cao và chất lượng hình ảnh hạn chế cùng với thể tích bao phủ thấp đã cản trở sự phổ biến của công nghệ này Sự sản xuất và phân phối các máy chụp CT chùm điện tử cũng đã gặp khó khăn, dẫn đến sự hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi.
Công nghệ quay tròn đã cho phép sự phát triển của máy quét CT xoắn ốc vào đầu những năm 1990, với khả năng thu thập dữ liệu mà không lo về việc thiếu sót hay trùng lặp thông tin giải phẫu Các hình ảnh có thể được tái tạo ở bất kỳ vị trí nào dọc theo trục bệnh nhân, giúp cải thiện độ phân giải theo chiều dọc thông qua việc dựng ảnh xếp chồng Tập dữ liệu này đã trở thành nền tảng cho các ứng dụng như CT chụp mạch (CTA), mở ra một cuộc cách mạng trong việc đánh giá các bệnh mạch máu một cách không xâm lấn Khả năng thu thập dữ liệu này cũng là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển các kỹ thuật xử lý ảnh 3 chiều như MPR, SSD và VRT, trở thành những yếu tố thiết yếu trong ảnh y học hiện đại.
Nhược điểm chính của CT xoắn ốc đơn lát cát là thể tích bao phủ không đủ trong một hơi thở của bệnh nhân và thiếu chính xác về không gian trong trục z do sự chuẩn trực rộng Độ phân giải đẳng hướng lý tưởng của máy quét CT xoắn ốc đơn, tức là độ phân giải đồng đều trong cả ba trục không gian, chỉ có thể đạt được trong phạm vi quét rất hạn chế (Kalender 1995).
Sự ra đời của các hệ thống CT 4 lát cắt vào năm 1998 đã mang lại thể tích bao phủ rộng hơn, thời gian quét ngắn hơn và độ phân giải theo chiều dọc được cải thiện (Klingenbeck-Regn và cộng sự, 1999; McCollough và Zink, 1991; Hu và cộng sự, 2000) Chất lượng hình ảnh tăng lên cho phép tối ưu hóa nhiều phương thức lâm sàng, giảm đáng kể thời gian khám chữa và mở rộng phạm vi quét Hơn nữa, một thể tích giải phẫu có thể được quét trong thời gian quy định với bề rộng lát cắt giảm mạnh Điều này giúp đạt được độ phân giải đẳng hướng cho nhiều ứng dụng lâm sàng với hệ thống CT 4 lát cắt, trong khi CT nhiều hàng đầu dò (MDCT) cũng đã phát triển mạnh mẽ, tiến gần đến những mục tiêu trước đây được coi là xa vời.
CT thế hệ thứ 3 sử dụng cơ chế quay của ống tia X và cảm biến, cho phép tạo ảnh tim với khả năng chọn xung ECG nhờ thời gian quay giảm xuống còn 0.5 giây Tuy nhiên, vẫn tồn tại nhiều thách thức trong hệ thống CT 4 lát cắt, đặc biệt là độ phân giải đẳng hướng cho các ứng dụng yêu cầu vùng quét mở rộng chưa đạt yêu cầu Để có được quét trong khung thời gian hợp lý, các lát phải được chọn rộng hơn, như 4×2.5mm hoặc 4×3.75mm Đối với cổng ECG CTA mạch vành, việc chẩn đoán gặp khó khăn khi đặt ống động mạch hoặc động mạch bị vôi hóa nghiêm trọng, do các thể tích một phần giả định và độ phân giải không đủ theo chiều dọc Hơn nữa, hình ảnh của bệnh nhân có nhịp tim cao không thể được xác thực do giới hạn về phân giải thời gian.
Vào năm 2000, hệ thống CT 8 lát cắt đã được giới thiệu với thời gian quét ngắn hơn, nhưng vẫn chưa cải thiện độ phân giải theo chiều dọc (độ dày mỏng nhất là 8×1.25mm) Tiếp theo, CT 16 lát cắt được phát triển vào năm 2002, cho phép thu được các vùng kết cấu quan trọng với độ phân giải không gian nhỏ hơn một milimet Cổng ECG quét tim đã được cải tiến với thời gian quay giảm xuống 0.375s và kỹ thuật lấy mẫu kép theo trục z, giúp thu được 64 lát cắt chồng chéo, tăng cường độ độc lập của độ phân giải theo chiều dọc và giảm giả tạo xoắn ốc Thế hệ máy chụp cắt lớp này cho phép thực hiện CT chụp mạch với độ phân giải nhỏ hơn milimet ngay cả với phạm vi giải phẫu lớn Độ phân giải thời gian được cải thiện khi thời gian quay giảm xuống 0.33s, nâng cao độ chắc chắn lâm sàng trong các ca quét khi nhịp tim cao, giảm số lượng bệnh nhân cần kiểm soát nhịp tim và hỗ trợ tích hợp máy CT chụp động mạch vành vào quy trình lâm sàng Hiện nay, các máy chụp một nguồn đã giảm thời gian quay xuống còn 0.3s.
Vào cuối năm 2007, hai nhà sản xuất Philips và Toshiba đã giới thiệu máy chụp CT đơn nguồn với khả năng thu được 256 và 320 lát cắt trong một vòng quay, tương ứng với “Định luật Moore về CT đa lát cắt” Số lượng lát cắt của các hệ thống CT đa lát cắt đã tăng theo hàm số mũ, gần gấp đôi sau mỗi 2 năm, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ trong công nghệ này Sự gia tăng này cần được đánh giá dựa trên những lợi ích lâm sàng mà nó mang lại, vì chỉ có các thành quả lâm sàng mới có thể chứng minh giá trị của các đầu dò lớn hơn.
Vào năm 2005, hệ thống CT nguồn kép (DSCT) đầu tiên đã được giới thiệu, với 2 ống tia X và 2 đầu dò ở góc lệch 90°, mang lại lợi ích lớn trong việc quét tim nhờ cải thiện độ phân giải không gian Máy quét DSCT cho phép đạt được độ phân giải không gian chỉ trong một phần tư thời gian quay của giá, không bị ảnh hưởng bởi nhịp tim của bệnh nhân và không cần các kỹ thuật xây dựng lại nhiều đoạn Ngoài ra, cả hai ống tia X có thể được điều khiển đồng thời theo phương thức thu liên tục, cung cấp năng lượng dự trữ cao khi cần thiết, và có thể sử dụng các thiết lập KV hoặc lọc khác nhau để thu được 2 nguồn năng lượng khác nhau Các ứng dụng tiềm năng của CT 2 nguồn bao gồm mô tả đặc điểm mô, xác định hàm lượng canxi và thể tích khối máu trong từng vùng, từ đó tăng cường sự tương phản trong hình ảnh.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Chất lượng tổng thể của hệ thống MDCT (Multi-detector row CT) phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm giàn quay, nguồn tia X, máy phát điện công suất lớn, bộ cảm biến và điện tử cảm biến Ngoài ra, các hệ thống truyền tín hiệu như vòng trượt (slip ring) và hệ thống máy tính cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thao tác và tái tạo ảnh.
Hệ thống CT thế hệ thứ 3 hiện đại có cấu trúc cải tiến so với các thế hệ trước Trong khi hệ thống đầu tiên sử dụng chùm tia mảnh yêu cầu dịch chuyển và cảm biến đơn, thì hệ thống thứ hai áp dụng chùm tia hình quạt nhỏ nhưng vẫn cần mô hình dịch chuyển và quay phức tạp Ngược lại, hệ thống CT thế hệ thứ 3 sử dụng chùm tia hình quạt bao phủ toàn bộ đối tượng, cho phép chỉ cần chuyển động quay của ống tia X và cảm biến xung quanh bệnh nhân, mang lại hiệu suất quét tốt hơn.
Máy quét CT thế hệ thứ ba sử dụng công nghệ hình học "xoay/xoay", với cả ống tia X và đầu dò được gắn trên một giàn quay, cho phép chúng quay xung quanh bệnh nhân.
Trong hệ thống MDCT, đầu dò bao gồm khoảng 700 hoặc hơn các nguyên tố, phủ một trường quét (SFOV) thường là 50cm Sự suy giảm tia X do bệnh nhân gây ra được đo bằng các nguyên tố đầu dò đơn lẻ, và tất cả các giá trị đo tại cùng một vị trí góc tạo thành một “phép chiếu” Thông thường, khoảng 1000 phép chiếu được đo trong mỗi vòng 360° Một yếu tố quan trọng trong thiết kế cơ khí giàn khung là đảm bảo độ ổn định của tiêu điểm hội tụ và vị trí đầu dò trong suốt vòng quay, đặc biệt khi tốc độ quay của các hệ thống CT hiện đại đã tăng nhanh từ 0.75s vào năm 1994 xuống còn 0.3s.
Hệ thống hỗ trợ cơ khí cho ống tia X, ống chuẩn trực và hệ thống đo lường dữ liệu cần được thiết kế để chịu đựng lực hấp dẫn lớn, đồng thời phải đảm bảo khả năng hoạt động ổn định khi giàn khung quay nhanh, với lực gia tốc lên tới khoảng 17g trong 0.42 giây và 33g trong 0.33 giây.
2.2 ỐNG X QUANG VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN
Sự kết hợp giữa ống tia X tiên tiến và máy phát năng lượng cao từ 60-100kW, tùy thuộc vào điện áp người dùng chọn như 80kV, 100kV, 120kV và 140kV, đáp ứng nhu cầu ứng dụng lâm sàng khác nhau Các thiết lập kV được điều chỉnh để tối ưu hóa chất lượng hình ảnh và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu ở liều thấp nhất có thể Trong thiết kế ống thông thường, tấm anode có đường kính từ 160-200mm quay trong một bóng chân không.
Hình 1.3 trình bày sơ đồ và hình ảnh của hai loại ống tia X: một ống tia X thông thường và một ống bao bọc quay Trong ống tia X thông thường, điện tử phát ra từ cathode và tạo ra tia X ở anode, với tấm anode quay trong môi trường chân không, dẫn đến việc tán xạ nhiệt chủ yếu theo đường phát xạ nhiệt Ngược lại, ống bao bọc quay có tấm anode là một tấm chắn bên ngoài ống, tiếp xúc trực tiếp với dầu làm mát, giúp tản nhiệt hiệu quả hơn và tăng tỉ lệ làm mát đáng kể Các ống bao bọc quay không có bộ phận chuyển động và không sử dụng vòng bi trong môi trường chân không.
Khả năng lưu trữ nhiệt của tấm anode trong bóng chân không được đo bằng Mega Heat Units (MHU), phản ánh hiệu suất của nó; tấm anode lớn hơn có khả năng dữ nhiệt tốt hơn và thời gian quét lâu hơn cho đến khi đạt nhiệt độ giới hạn Các ống tia X tiên tiến thường lưu trữ nhiệt từ 5 đến 9 MHU, nhờ vào lớp than chì dày đặc ở mặt sau tấm anode Một thiết kế khác là ống bao bọc quay, trong đó tấm anode tiếp xúc trực tiếp với dầu làm mát, cho phép tản nhiệt hiệu quả với tỷ lệ lên đến 5 MHU/phút, giảm thiểu khả năng lưu trữ nhiệt Nhờ vào việc làm mát nhanh chóng, các ống bao bọc quay có thể thực hiện quét năng lượng cao liên tiếp Để định vị và định hình tiêu điểm hội tụ trên anode, độ lệch của các điện tử trong chùm điện tử là cần thiết, và cũng được áp dụng trong công nghệ lấy mẫu z kép của các hệ thống CT 64 lát cắt.
2.3 THIẾT KẾ ĐẦU DÒ MDCT VÀ SỰ CHUẨN TRỰC LÁT CẮT
Các hệ thống CT hiện đại chủ yếu sử dụng đầu dò bán dẫn, trong đó mỗi đầu dò bao gồm vật liệu bán dẫn nhạy cảm như cadmium tungstate, gadolinium-oxide hoặc gadolinium oxi-sulfide với sự pha tạp thích hợp Những vật liệu này có khả năng biến đổi các tia X thành tín hiệu điện, góp phần nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quá trình chẩn đoán hình ảnh.
X được hấp thụ thành ánh sáng nhìn thấy, sau đó ánh sáng này được phát hiện bằng một diode quang Si Kết quả là dòng điện được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu số Để một vật liệu dò đạt hiệu suất tốt, nó cần có số lượng nguyên tử cao và thời gian dư huy (afterglow) ngắn, điều này rất quan trọng để đảm bảo tốc độ quay nhanh của giàn khung, phục vụ cho việc tạo ảnh tim cổng ECG.
Các đầu dò CT cần có độ rộng lát cắt khác nhau để tối ưu hóa tốc độ quét, độ phân giải và giảm nhiễu ảnh cho từng ứng dụng Đối với đầu dò CT đơn lát cắt, độ rộng các lát cắt được điều chỉnh thông qua sự chuẩn trực của chùm tia X trước bệnh nhân Trong trường hợp đầu dò CT 2 lát cắt với M = 2 hàng đầu dò, độ rộng lát cắt khác nhau có thể đạt được bằng cách điều chỉnh vị trí bệnh nhân nếu đầu dò được chia dọc theo vùng z của chùm tia X Đối với M > 2, cần áp dụng các nguyên tắc thiết kế khác để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Hệ thống CT 4 lát cắt ra mắt năm 1998 sử dụng hai loại đầu dò phổ biến: đầu dò mảng cố định và đầu dò mảng thích nghi Đầu dò mảng cố định có các nguyên tố đầu dò đồng nhất về kích thước theo chiều dọc, điển hình là máy quét GE Lightspeed với 16 hàng đầu dò, mỗi hàng cho độ rộng lát cắt chuẩn 1.25mm Độ bao phủ tổng cộng theo chiều dọc đạt 20mm, tuy nhiên do phóng đại hình học, đầu dò thực tế rộng gấp đôi Hệ thống cho phép kết hợp các hàng đầu dò điện tử để tạo ra nhiều độ rộng lát cắt khác nhau như 4×1.25mm, 4×2.5mm, 4×3.75mm và 4×5mm Phiên bản 8 lát cắt của hệ thống này cũng sử dụng thiết kế tương tự, cung cấp độ rộng lát cắt chuẩn 8×1.25mm và 8×2.5mm.
Thiết kế đầu dò mảng thích nghi sử dụng các hàng đầu dò có kích thước khác nhau theo chiều dọc, như trong các máy quét Philips MX8000 4 lát cắt và Siemens Somatom Sensation 4 với 8 hàng đầu dò (Klingenbeck-Regn cùng các cộng sự 1999) Độ rộng đầu dò dao động từ 1mm đến 5mm tại điểm đồng tâm, cho phép tạo ra các độ rộng lát cắt chuẩn như: 2×0.5 mm, 4×1 mm, 4×2.5mm, 4×5 mm, 2×8 mm và 2×10 mm.
Các hệ thống CT 16 lát thường sử dụng đầu dò mảng thích nghi, điển hình là máy Siemens SOMATOM Sensation 16 với 24 hàng đầu dò Nhờ vào sự kết hợp tín hiệu từ các hàng đầu dò, máy quét này có thể thu được đồng thời 16 lát cắt với độ rộng chuẩn trực 0.75-mm hoặc 1.5-mm Máy quét GE Lightspeed cũng thuộc loại này.
Máy quét Toshiba Aquilion sử dụng thiết kế tương tự với 16 lát cắt, cung cấp độ rộng lát chuẩn trực là 0.625mm hoặc 1.25mm Ngoài ra, máy quét này còn cho phép sử dụng 16 lát với độ rộng chuẩn trực 0.5mm, 1mm hoặc 2mm, mang lại tổng độ bao phủ lên tới 32mm ở đồng tâm.
CÁC KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG
Hai chế độ thu dữ liệu chính của MDCT là quét quanh trục và quét xoắn ốc.
3.1 QUÉT LIÊN TỤC CỦA MDCT
Việc áp dụng kỹ thuật quét liên tục quanh trục trong phương pháp “step-and-shoot” cho phép tối ưu hóa thể tích quét và giảm số lượng ảnh thu được mỗi lần quét Khi bàn di chuyển tới vị trí z tiếp theo, số lượng ảnh tương ứng với số lát cắt đầu dò hoạt động có thể được điều chỉnh Bằng cách kết hợp tín hiệu từ các lát cắt tích cực, có thể giảm số lượng ảnh và tăng độ rộng của chúng, ví dụ như quét với chuẩn trực 4×1mm cho phép thu được 4 ảnh với độ rộng 1-mm mỗi ảnh, hoặc một ảnh với độ rộng 4-mm Các tùy chọn này rất hữu ích trong các lần kiểm tra yêu cầu độ chuẩn xác cao, giúp tránh tạo ra các phần giả và giảm nhiễu ảnh, đặc biệt trong việc phát hiện các chi tiết tương phản thấp như kiểm tra hố sau của hộp sọ hoặc đốt sống cổ.
Với sự phát triển của máy MDCT, phương pháp quét "step-and-shoot" vẫn được áp dụng trong một số ứng dụng lâm sàng như quét đầu, quét phổi độ phân giải cao, CT truyền dịch và các ứng dụng can thiệp Nghiên cứu của Hsieh (2001) đã mô tả chi tiết lý thuyết để dự đoán hiệu suất của máy MDCT khi sử dụng chế độ step-and-shoot.
Quá trình quét xoắn ốc được đặc trưng bởi vòng quay liên tục của giàn khung, cùng với việc thu thập dữ liệu liên tục khi bàn bệnh nhân di chuyển với tốc độ ổn định.
Nguyên lý quét CT xoắn ốc bao gồm việc bàn bệnh nhân di chuyển liên tục trong khi dữ liệu quét từ nhiều vòng quay được thu thập Quỹ đạo của ống tia X và đầu dò tạo thành một đường xoắn ốc xung quanh bệnh nhân Để ước tính một bộ dữ liệu hoàn chỉnh tại vị trí ảnh mong muốn, cần thực hiện phép nội suy dữ liệu đo đạc theo hướng z.
Một thông số quan trọng trong việc mô tả quét xoắn ốc là pitch p Theo tiêu chuẩn kỹ thuật của IEC (Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế) năm 2000, pitch được xác định bởi công thức: p = Tốc độ quay của bàn mỗi vòng.
Tổng độ rộng của chùmtia được xác định dựa trên định nghĩa chung cho cả CT đơn nguồn và MDCT Định nghĩa này cho thấy rằng việc thu thập dữ liệu có thể diễn ra với các khoảng giãn cách (p>1) hoặc chồng chéo (p
