Những cơ sở vật lý của chẩn đoán hình ảnh trong y tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I ĐỀ TÀI Những cơ sở vật lý của chẩn đoán hình ảnh trong y tế Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thái Hà Sinh viên Trần Huy Long MSSV 20132411 Lớp ĐTTT 06 K58 Hà Nội, 12017 Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế lời giới thiệu Edwin L Dove Biomedical Engineering The University of Iowa Mục lục Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế Lời giới thiệu 2 1 Lời giới thiệu 2 2 Phương pháp chụp X Quang 7 2 1 Lịch sử phát tr.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH I ĐỀ TÀI: Những sở vật lý chẩn đốn hình ảnh y tế Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Hà Sinh viên : Trần Huy Long MSSV : 20132411 Lớp : ĐTTT 06-K58 Hà Nội, 1/2017 Những sở vật lý ghi ảnh y tế - lời giới thiệu Edwin L.Dove Biomedical Engineering The University of Iowa Mục lục Những sở vật lý ghi ảnh y tế - Lời giới thiệu………………………………… … 2 Lời giới thiệu…………………………………………………………………………… Phương pháp chụp X-Quang… ………………………………………………………….7 2.1 Lịch sử phát triển……………………………………………… 2.2 Những sở vật lý X-Quang……………………………………………… 2.3 Giới thiệu, tóm tắt tổng quan cấu trúc nguyên tử…………… 12 Sự tác động tia X vấn đề y tế……….………………………………….14 3.1 Tán xạ coherent………………………………………………………………… 14 3.2 Phân rã photon……………………………………… ……………………… 15 3.3 Hiệu ứng quang điện……………………… ……………………………… 15 3.4 Tán xạ Compton………………………………………… ……………………17 3.5 Hiệu ứng tạo cặp……………………………………………………………….19 3.6 Tóm tắt………………………………………………………………….……… 19 Liều chiếu phơi nhiễm…………………………………………………………… …20 4.1 Liều tương đương… …………………………………………… ………… 21 4.2 Liều tối đa……………………… ……………………………………….…….22 4.3 Liều môi trường……………………………………………………………… 23 4.4 Liều toàn thân………………………………………………………………… 23 Tài liệu tham khảo…………………………………………… ………………………… 24 Giới thiệu Nguyên lý tạo ảnh y tế bắt nguồn từ khả tương tác lượng mô thể Năng lượng xạ, từ trường, điện trường sóng siêu âm Năng lượng thường tương tác mức độ phân tử hay nguyên tử có hiểu biết rõ ràng cấu trúc nguyên tử cần thiết Ngoài hiểu biết đặc tính vật lý ngun tử việc học thuật ngữ tạo ảnh cần thiết Ví dụ :  Ảnh cắt lớp: hình ảnh tạo thành tập hợp hình chiếu mặt cắt ngang Từ tomo tiếng Hy Lạp có nghĩa cắt  CT : chụp cắt lớp vi tính  MR MRI : chụp cộng hưởng từ Công nghệ gọi cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) vấn đề hạt nhân thứ mà bệnh nhân cảm     thấy lo sợ chữ “N” lược bỏ PET : chụp cắt lớp phát xạ SPECT : máy xạ hình Siêu âm : tái tạo hình ảnh y tế cách thu nhận sóng âm phản xạ từ thể OCT : chụp cắt lớp quang học Thu ảnh cách sử dụng ánh sáng hồng ngoại Mỗi phương pháp cách thức để lấy ảnh MR, CT, vv tất phương pháp tạo ảnh y tế Các phương pháp phân loại dựa vào lượng lượng tương tác với thể Ví dụ, phương pháp chụp X-Quang tạo lượng để ion hóa nguyên tử (nghĩa đẩy electron khỏi hạt nhân nguyên tử) tạo photon tác động đến mô thể Các phương pháp gây xạ ion hóa XQuang, CT, PET SPECT Các phương pháp không xạ gồm siêu âm chụp cộng hưởng từ Có hệ thống phân loại khác sử dụng để phân loại phương pháp chẩn đốn hình ảnh đại Ví dụ, nhà nghiên cứu xem xét đến cách thức để tạo ảnh y tế : tính tốn độ suy giảm tia X qua thể, thu tín hiệu phát xạ hạt nhân từ thể, cộng hưởng từ siêu âm Mỗi phương pháp mô tả kiểu tín hiệu khác thu Bảng 1.1 so sánh kỹ thuật tạo ảnh y tế Phương pháp Chụp cắt lớp điện tốn Thơng số đo Sự suy giảm phóng xạ tia X qua tổ chức Chụp cắt lớp phát xạ thể Mật độ tập trung nguyên tử phóng xạ Cộng hưởng từ vùng thể Sự tập trung, nguyên tử hydro vùng Siêu âm khác thể Sự chênh lệch ,thay đổi, suy giảm vận tốc âm phản hồi từ thể Bảng 1.1 mơ tả phương pháp tạo ảnh y tế Một số phương pháp tạo ảnh y tế đại (PET, CT MR) yêu cầu bệnh nhân phải đưa vào hệ thống có dạng đường ống tròn Đối với số người, khó khăn tình trạng bệnh lý, sợ nơi chật hẹp số nguyên nhân khác Phương pháp siêu âm cần có đầu dị đơn giản tì lên da bệnh nhân Hình 1-1 phương pháp tạo ảnh chủ yếu y tế Hình 1-2 PET quét khối u não (Nguồn : Trang web phận hạt nhân Y Tế trường Harvard) Một ví dụ phương pháp chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT) Hình 1-3 hàng 3-ảnh SPECT khối u não(Nguồn : Trang web phận hạt nhân Y Tế trường Harvard) Hình 1-4 sơ đồ cầu tạo máy chụp cộng hưởng từ MRI Hình 1-5 chụp khớp gối phương pháp cộng hưởng từ MRI Phương pháp chụp X-Quang 2.1 Lịch sử phát triển Tối thứ ngày tháng 11 năm 1895 Wilhelm Conrad Rưntgen (có tài liệu viết Roentgen) phát loại tia có khả đâm xuyên qua loại vật chất Röntgen giáo sư vật lý 50 tuổi đại họa Julius Maximilian Wuburg đặt tên loại tia tia X (“X” có nghĩa chưa biết) Sự tồn tia X mà Rưntgen tìm Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz dự đoán từ trước dựa nghiên cứu ông lý thuyết xạ điện từ Maxwell Phát Röntgen gửi vào ngày 28 tháng 12 năm 1895 công bố vào ngày tháng năm 1896 Một thiết bị chụp X-Quang di động lắp đặt cửa hàng Sears vào cuối năm 1896 Chi phí lần chụp lúc 15 dollar Hình 2-1 hình ảnh X-Quang bàn tay bà Röntgen đeo nhẫn cưới chụp vào năm 1895 Năm 1901, Röntgen nhận giải Nobel vật lý, giải Nobel vật lý trao tặng Khơng may, Rưntgen,vợ ơng người làm việc phịng thí nghiệm ông sớm bệnh ung thư Tia X ứng dụng vào y tế lần vào ngày 13 tháng năm 1896 tiến sĩ Ratcliffe Hall-Edwards Trong lần đó, họ xác định vị trí kim nhỏ bàn tay người phụ nữ Như hệ quả, bác sĩ J.H.Clayton thực ca phẫu thuật dựa chẩn đoán X-Quang vào ngày thứ sau tồn tia X công bố Cũng năm 1896, Randolph Hearst (chủ nhà xuất tiếng Hearst) đưa thách thức nhà khoa học chụp lại hình cảnh vỏ não Nhiều người cố gắng thử nghiệm phương pháp giúp nâng cao chất lượng hình ảnh X-Quang đưa tất thất bại Ví dụ việc bơm khơng khí vào khoang chất lỏng bên não Các đối tượng thí nghiệm xác nhận khơng có khó chịu (vì não khơng có thụ thể cảm nhận đau) dù họ có bất thường tâm trạng, hành vi nhận thức Allan Macleod Cormack (Đại học Tufts) Godfrey Newbold Hounsfield (phịng thí nghiệm nghiên cứu EMI, Ltd) phát triển thuật toán cần thiết chế tạo máy CT (1972) lấy hình ảnh vỏ não Chiếc máy CT tính tốn, xử lý đưa hình ảnh chụp CT sau 24 Cormack Hounsfield nhận giải Nobel Sinh Học Y Tế vào năm 1979 Cần lưu ý Hounsfield chưa tuyên bố phát minh máy CT Những nghiên cứu công bố vào năm 1917 Radon 2.2 Những sở vật lý X-Quang Tia X dạng sóng điện từ tương tự ánh sáng, sóng radio, sóng truyền hình, vv Bảng 2.1 cho ta thấy số thành phần quang phổ sóng điện từ bước sóng, tần số, lượng ứng dụng Năng lượng 4x10-11 4x10-10 4x10-9 4x10-8 Tần số 104 105 106 107 Loại sóng sóng radio Bước sóng 104 103 102 10 Sóng radio ngắn, FM radio sóng truyền -7 4x10 4x10-6 10 109 4x10-5 4x10-4 4x10-3 4x10-2 4x10-1 4x10 4x102 4x103 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 hình Sóng viba Áng sáng hồng ngoại Ánh sáng nhìn thấy Vùng tử ngoại Tia X 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 4x104 4x105 4x106 4x107 >4x107 1019 1020 1021 1022 >1022 10-11 10-12 10-13 10-14 MeV) 3.3 Hiệu ứng quang điện Albert Enstein đạt giải Nobel vật lý khám phá định luật hiệu ứng quang điện Những lý luận Enstein phù hợp với mô tả chi tiết mối quan hệ lượng, tần số, tính chất hạt tính chất sóng mà biết thời điểm Tóm lại, theo lý thuyết lượng tử, xạ điện từ lượng tử hóa gọi photon Mỗi photon có mức lượng E phụ thuộc vào tần số f Mối quan hệ lượng tần số E = hf giống phương trình (2.1) 14 Một photon có tần số (do có mức lượng) tương tác với electron Một photon chia sẻ lượng với vài electron Một photon di chuyển với tốc độ ánh sáng thuyết tương đối dự đốn khơng trạng thái nghỉ tức lượng chúng hoàn toàn động Nếu photon tương tác với electron truyền lượng cho electron biến Nếu lượng liên kết electron với hạt nhân mà bé lượng electron nhận từ photon electron tách khỏi nguyên tử trở thành quang điện tử Năng lượng quang điện tử phụ thuộc vào lượng nhận từ photon tới Điều xảy electron bị bắn phá liên kết với nguyên tử ? Nếu photon tới có mức lượng lớn lượng liên kết electron lớp K nguyên tử photon tới đánh bật electron lớp K khỏi nguyên tử Sau electron có mức cao nhảy vào chỗ cho electron vừa Để electron có mức lượng cao nhảy vào chỗ cho electron có mức lượng thấp phải giải phóng lượng Quá trình tạo thành khoảng trống lớp vỏ nguyên tử Năng lượng giải phóng q trình gọi lượng đặc trưng xạ, xạ gọi xạ đặc trưng Hình 3-1 Mơ tả hiệu ứng quang điện 15 Ví dụ, giả sử photon tới có lượng E, truyền tất lượng cho electron lớp K nguyên tử Nếu electron có lượng liên kết E b lượng cần thiết để bứt electron khỏi nguyên tử Nếu E > E b phần lượng cịn lại sau bứt electron khỏi nguyên tử chuyển thành động Electron chuyển động với động gọi quang điện tử Như E = hf = mov2 + Eb Trong mo khối lượng nghỉ electron Tiếp theo, electron có lượng cao nhảy xuống chỗ cho electron vỏ K Electron giải phóng lượng tạo thành photon Năng lượng photon chênh lệch lượng lớp vỏ electron Sau đó, lượng photon tạo lớn lượng liên kết electron khác photon giải phóng cho electron thứ hai Electron thứ cấp gọi electron Auger Ví dụ với iot lượng liên kết lớp sau : Lớp K L M Năng lượng liên kết -33.2 KeV -4.3 KeV -0.6 KeV Một photon có tần số 9.86x10 18 đánh bật electron lớp K Một electron lớp M đến lấp vào vị trí electron lớp K để lại giải phóng lượng 32.6 KeV Như vật xạ đặc trưng phát có lượng 32.6 KeV 3.4 Tán xạ compton Trong tượng tán xạ compton, proton tương tác với electron phần photon truyền cho electron Photon sau tương tác với electron bị giảm lượng tiếp tục di chuyển Electron tương tác với photon bị tách khỏi lớp vỏ 16 Hình 3-2 Minh họa tượng tán xạ compton Động lượng photon mô tả phương trình P= = = (3.1) Như động lượng photon phụ thuộc vào tần số Xem xét tính chất hạt photon ta sử dụng định luật bảo tồn lượng bảo tồn động lực để mơ tả va chạm photon electron Hình 3-3 Minh họa tương tác photon electron Động lượng photon trước va chạm động lượng photon sau va chạm động lượng electron mov Sử dụng định lý cosin hình tam giác hình 3-3, ta viết phương trình bảo tồn động lượng + – 2PƛPƛ’Cos(θ) = (3.2) Phương trình lý giải thay đổi bước sóng (hoặc lượng) Δλ = λ’ – λ = (1 – Cos(θ)) Từ ta rút lượng tán xạ compton : E’ = 17 (3.4) (3.3) Bước sóng photon tới tăng sau lần va chạm với electron lượng giảm Sự thay đổi lượng bước sóng phụ thuộc vào lượng nghỉ electron, tốc độ ánh sáng, số Plank góc độ photon sau va chạm Gía trị m oc2 phổ biến nằm vào khoảng 511 KeV Photon có lượng cao tán xạ compton nhiều photon có lượng thấp Tuy tán xạ compton nguồn nhiễu tạo ảnh X-Quang Ngồi tán xạ compton nguồn gây hại cho thể người X-Quang Bởi lý này, tượng không mong muốn tạo ảnh X-Quang 3.5 Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tạo cặp đặc trưng tương tác photon với hạt nhân Trong photon có lượng cao bị hấp thụ hạt nhân; positron (electron mang điện tích dương) phát với electron Sự tương tác gặp XQuang chẩn đốn cần nguồn lượng cao Tuy nhiên tạo cặp mô tả hình thành phản vật chất sử dụng PET scan 3.6 Tóm tắt Các cách thức tương tác : Quang điện photon hấp thụ, xạ đặc trưng phát với photon-electron cịn có Auger electron Tán xạ compton photon khơng hấp thụ mà tiếp tục di chuyển tới nguyên tử khác hết lượng biến Sau lần va chạm với electron lượng photon giảm electron đẩy khỏi lớp vỏ Đây nguồn gốc nhiểu ảnh CT scanner Hiện tượng tạo cặp photon bị hấp thụ hạt nhân giải phóng positron đẩy electron Khả xuất tương tác phụ thuộc lượng photon tới, cấu hình electron xung quanh nguyên tử, số hiệu nguyên tử nguyên tử khối vật 18 liệu chế tạo đích, vv Hình 3-4 cho thấy khả hấp thụ khác carbon tia X Hầu hết mơ thể người có khả hấp thụ tương tự (dạng đường cong tương tự hình) Những thơng số chìa khóa để tìm hiểu tính chất X-Quang y tế Với mức lượng X-Quang chẩn đoán (50 KeV– 200 KeV ) hầu hết lượng hấp thụ thể hiệu ứng quang điện Tán xạ compton đóng vai trị quan trọng việc xử lý nhiễu tạo ảnh X-Quang Hiện tượng tạo cặp thường xảy với mức lượng vượt qua mức lượng XQuang y tế Hình 3-4 Biểu đồ thể xác suất xuất ba hiệu ứng phụ thuộc vào mức lượng photon tới Liều chiếu phơi nhiễm Để bảo vệ bệnh nhân khỏi xạ ion hóa tính tốn tỷ lệ rủi ro – lợi ích chiếu xạ cho bệnh nhân việc cần thiết Liều chiếu xạ tính theo cơng thức N số hạt phóng xạ mặt cắt hình cầu Đơn vị tham số 19 Roentgen (R) định nghĩa “số lượng xạ mang điện tích 2.58x10 -4 coulombs kg khơng khí” tương đương với khoảng 1.3x1015 electron Ngồi cịn có khái niệm hữu ích xuất phát từ khái niệm liều xạ mơ tả liều xạ bị hấp thu số mô thể người Một khái niệm khác liều lượng tương đương có tính đến thực tế số loại xạ có tác hại lớn so với loại khác Liều lượng hấp thụ đo tỉ lệ số lượng hấp thụ đơn vị khối lượng mô Năng lượng đo J khối lượng tính kg Đơn vị liều lượng hấp thụ Gray (Gy) với Gy = J.kg-1 Có đơn vị liều lượng cũ sử dụng rad với rad = 0.01 Gy = 0.01 J.kg-1 Ví dụ, 1000 photon hấp thụ hồn tồn 1kg mơ sau lượng hấp thụ mơ 1000 lần lượng hạt Năng lượng xạ thường tính KeV (hoặc MeV) ta chuyển đổi J : 1J = 6.2x1018 eV Một liều Gy có nghĩa 6.2x1018 eV lượng hấp thụ kg mơ Năng lượng đến từ 6.2x10 12 photon photon mang lượng 1000 KeV 4.1 Liều tương đương Đơn vị liều tương đương Sievert (Sv) với : Sv = J.kg-1 x trọng số xạ Ngồi Sievert cịn đơn vị khác liều tương đương rem rem = 0.01 Sv = 0.01 J.kg-1 x trọng số xạ Liều hấp thụ nhân với trọng số xạ liều tương đương Liều tương đương Sv = Liều hấp thụ Gy x trọng số xạ Liều xạ năm Liều tối đa cho bệnh nhân 1mSv = 0.1 rem 1mSv = 0.1 rem năm Liều tối đa cho người làm việc 20 mSv = rem môi trường xạ (1 năm tối đa 50 mSv) Liều xạ mà tiếp xúc gây 20 0.5 Gy = 50 rad triệu chứng buồn nôn, mệt mỏi Liều xạ khiến người tử vong Gy = 500 rad vài tháng sau tiếp xúc Hình 4-1 Các thơng số liều tia X cho năm trường hợp khác 4.2 Liều tối đa Liều tối đa rút dựa quan sát tìm hiểu với điều kiện khác thực tế Ủy ban Quốc tế An toàn phóng xạ (ICRP) khuyến cáo liều tối đa năm cho nhân viên làm việc mơi trường phóng xạ 50 mSv (5 rem), làm việc liên tục năm liều tối đa 20 mSv năm Đối với cơng chúng liều tối đa toàn thân đề nghị mSv (0.1 rem) trung bình năm Điều kiện nhận xạ Nhân viên làm việc môi trường Liều 50 mSv = rem (5 năm liên tục phóng xạ 20 mSv năm) Công chúng mSv = 0.1 rem năm Bảng 4-2 Liều tối đa theo quy định ICRP Ủy ban quản lý phóng xạ Hoa Kỳ thông qua tiêu chuẩn, hạn chế tối đa lượng tiếp xúc xạ công chúng đến 0.5 rem năm Giới hạn phơi nhiễm nghề nghiệp cho toàn thể chi thể Liều tối đa cho phép liên tục bị giảm xuống suốt 70 năm qua Năm 1931, liều tối đa 15 mSv (1.5 rem) cho tuần Liều tối đa tiếp tục bị giảm xuống Lý cho dù liều phóng xạ nhỏ gây tác động lâu dài lên thể, nguyên nhân tranh cãi việc thiết lập mức an toàn hạt nhân Tác động sinh học thống kê dựa vào thay đổi thể hình thành bệnh phóng xạ Vì việc đánh giá rủi ro phóng xạ phức tạp bệnh xuất tự nhiên mà khơng phải tiếp xúc với phóng xạ Do biến chứng mà gây hậu lâu dài thể nên người trẻ tuổi thai nhi hai thành phần chịu rủi ro lớn phải tiếp xúc với nguồn xạ ion hóa 4.3 Liều môi trường 21 Tất tiếp xúc với nguồn xạ khác sống ngày, số nguồn tự nhiên, số nguồn nhân tạo Bức xạ vũ trụ Các vật liệu xạ tự nhiên (ví dụ 200µSv (20 mrem) năm 300µSv (30 mrem) năm U238) Các loại vật liệu phóng xạ 300 µSv (30 nrem) năm thể (ví dụ K40) Chụp X-Quang Chụp mạch Nhà máy điện hạt nhân 500 µSv (50 nrem) cho lần chụp 20 mSv (2 rem) cho lần chụp < mSv (100 rem) năm với khoảng cách 1km tính từ nhà máy 4.4 Liều toàn thân Liều toàn thân tối đa cho phép nhân viên làm việc mơi trường phóng xạ 20 mSv (2 rem) cịn cơng chúng mSv (0.1 rem) Có số ý kiến cho nguy xạ bị thổi phồng mức Bảng 4.4 đưa hoạt động khiến tiếp xúc với xạ tương đương Tiếp xúc với mSv (0.5 rem) xạ toàn thân Hút 75 điếu thuốc Di chuyển 2500 dặm xe motor Di chuyển 12.500 dặm máy bay Leo núi 74 phút Di chuyển cano Làm việc nhà máy năm Bảng 4.4 Các thông tin bảng 4.4 khơng có nghĩa chủ quan trước tác hại xạ Hãy nhớ liệu dựa mơ hình thống kê khơng phải liệu đo phịng thí nghiệm Bảng 4.5 đưa thông số liều xạ mà thể phải nhận tham gia chụp X-Quang số quan thể Kiểm tra Liều lượng 22 (mGy) X quang vú Chụp ngực Chụp cột sống thắt lương Chụp xương chậu Chụp xương sọ 1.2 0.3 9.2 6.6 4.4 Tổ chức ICRP đề xuất sử dụng liều lượng xạ chuẩn riêng chụp XQuang cho quan khác thể liều tính tốn với liều lượng chiếu tồn thể gây hại đến bệnh nhân Tài liệu tham khảo Berger, S., W Goldsmith, and E Lewis (eds.) Introduction to Bioengineering, Oxford, New York, 1996 Brown, B., R Smallwood, D Barber, P Lawford, and D Hose Medical Physics and Biomedical Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1999 Dhawan, A., Medical Image Analysis, IEEE/John Wiley Press, 2003 Shung, K M Smith, B Tsui Principles of Medical Imaging, Academic Press, San Diego, 1992 Webb, S (ed) The Physics of Medical Imaging, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1992 Nhiều hình ảnh lấy từ DICOM, ban hành bỏi IEEE NEMA 23 .. .Những sở vật lý ghi ảnh y tế - lời giới thiệu Edwin L.Dove Biomedical Engineering The University of Iowa Mục lục Những sở vật lý ghi ảnh y tế - Lời giới thiệu…………………………………... nguyên tử hydro vùng Siêu âm khác thể Sự chênh lệch ,thay đổi, suy giảm vận tốc âm phản hồi từ thể Bảng 1.1 mơ tả phương pháp tạo ảnh y tế Một số phương pháp tạo ảnh y tế đại (PET, CT MR) y? ?u... nguyên tử cần thiết Ngồi hiểu biết đặc tính vật lý nguyên tử việc học thuật ngữ tạo ảnh cần thiết Ví dụ :  Ảnh cắt lớp: hình ảnh tạo thành tập hợp hình chiếu mặt cắt ngang Từ tomo tiếng Hy Lạp