Physics of Medical Imaging – And Introduction

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÀI DỊCH MÔN CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH 1 ĐỀ TÀI Physics of Medical Imaging – And Introduction Edwin L Dove Biomedical Engineering The University of Iowa Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Mạnh 20122055 Vũ Tùng Lâm 20121962 Hà Nội, tháng 01 2017 Lời nói đầu Ngày nay, cuộc sống con người càng phát triển, kéo theo dịch vụ chăm sóc sức khỏe cũng như phát hiện các bệnh từ sớm là rất cần thiết Vì thế cần sự hỗ trợ rất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG BÀI DỊCH MƠN: CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH ĐỀ TÀI: Physics of Medical Imaging – And Introduction Edwin L Dove Biomedical Engineering The University of Iowa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Mạnh 20122055 Vũ Tùng Lâm 20121962 Hà Nội, tháng 01-2017 Lời nói đầu Ngày nay, sống người phát triển, kéo theo dịch vụ chăm sóc sức khỏe phát bệnh từ sớm cần thiết Vì cần hỗ trợ đắc lực từ phương tiện kĩ thuật đại Mơn Chẩn đốn hình ảnh cho chúng em khái niệm loại máy chụp mơ người, hiểu rõ ngun lí, cấu tạo cách vận hành chúng Nhiệm vụ chúng em tìm hiểu "Tính chất vật lý ảnh y tế", qua chúng em tìm hiểu kiến thức phương thức chụp ảnh X Quang, tương tác tia X vật chất Bài dịch chúng em nhiều thiếu sót phần kiến thức chun mơn chưa thực vững đơi lúc gặp khó khăn việc xử lí từ ngữ chuyên ngành Qua chúng em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Thái Hà tận tình giúp đỡ từ chọn đề tài, tới giảng tận tình lớp Ngồi kiến thức mơn học nhận được, chúng em cịn nâng cao thêm vốn tiếng anh, tiếp cận từ ngữ chuyên ngành y sinh, kiến thức quý báu giúp cho hành trang chúng em sau trường thêm tự tin Phân công nhiệm vụ: Vũ Tùng Lâm Phần 1,2 Trang – 20 Nguyễn Đức Mạnh Phần 4,5,6,7 Trang 21 - 46 Hà Nội, tháng 01 năm 2017 Nhóm Sinh viên thực Vũ Tùng Lâm Nguyễn Đức Mạnh Mục Lục Lời nói đầu 1 Giới thiệu Phương thức chụp ảnh X quang 2.1 Lịch sử 2.2 Bản chất vật lí tia X 10 2.3 Tống quan cấu trúc nguyên tử 13 Tương tác tia X với vật chất 14 3.1 Tán xạ Coherent 15 3.2 Hiệu ứng quang rã .15 3.3 Hiệu ứng quang điện 15 3.4 Tán xạ Compton .17 3.5 Hiệu ứng tạo cặp .19 3.6 Tổng kết 19 Liều lượng phơi sáng .21 4.1 Liều lượng tương đương 21 4.2 Mức độ tối đa cho phép 22 4.3 Liều lượng môi trường 23 4.4 Những phần thể - liều toàn thân 24 Mơ hình lan truyền 25 5.1 Phương thức truyền ảnh đơn giản .25 5.2 Hệ số suy giảm 26 5.3 Truyền hình ảnh 28 Tóm tắt ngắn gọn 29 Các hệ tia X-ray 30 7.1 White radiation 31 7.2 Đặc tính xạ 32 7.3 Máy phát X-ray 32 7.4 Lưới 34 7.5 Đầu dò 35 7.6 Những phương pháp tổng hợp .39 Tổng kết lịch sử 43 Tài liệu tham khảo 46 Giới thiệu Việc tao ảnh thể người đểu tạo nhờ tương tác lượng với mô người Năng lượng dạng xạ, từ trường điện lượng âm Năng lượng thường tương tác mức độ phân tử hay nguyên tử Do đó, cần hiểu biết rõ cấu trúc nguyên tử Ngoài hiểu biết vật lý nguyên tử, cần biết thuật ngữ dung tạo ảnh Ví dụ:  Chụp cắt lớp (tomography) tomo: cắt lát Một hình ảnh cắt ngang hình thành từ tập hợp hình ảnh chiếu  CT: Chụp cắt lớp vi tính  MRI: Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân  PET: Chụp positron cắt lớp Chụp cắt lớp phát xạ  SPECT: Chụp cắt lớp xạ đơn photon  Siêu âm  Chụp cắt lớp quang học: sử dụng ảnh sang hồng ngoại để tạo ảnh động mạch vành Mỗi phương thức có phương pháp tạo ảnh riêng MR, CT, … phương thức tạo ảnh Đôi ta phân loại phương thức theo mức lượng áp dụng vào thể, ví dụ: phương pháp chụp X quang sản xuất lượng đủ để ion hóa nguyên tử Các phương thức mà gây xạ ion hóa X-quang, CT, SPECT, PET phương thức khơng ion hóa bao gồm chụp cộng hưởng từ siêu âm Nhiều bác sĩ xem xét bốn phương thức tạo: X quang, phát xạ hạt nhân phóng xạ, cộng hưởng từ siêu âm Và đưa kết so sánh: Bảng 1.1 So sánh phương thức chụp ảnh y tế Phương pháp Chụp cắt lớp điện toán truyền qua Chụp cắt lớp xạ Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân Siêu âm Thông số đo Ứng dụng y tế Mật độ số lượng nguyên tử trung bình Giải phẫu, hàm lượng khống chất, dịng chảy độ thấm từ chuyển động tương phản vật chất Nồng độ hạt nhân phóng xạ Trao đổi chất, , lưu lượng Nồng độ, thư giãn thông số T1, T2 tần số thay đổi cấu trúc hóa học Sự sai lệch trở kháng âm, vận tốc âm thanh, suy giảm, thay đổi tần số chuyển động Giải phẫu, phù nề, dịng chảy, thành phần hóa học Giải phẫu, đặc điểm cấu trúc mơ, dịng chảy Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn phương thức tạo ảnh lớn chẩn đốn hình ảnh Một số phương thức tạo ảnh đại (PET, CT MR) yêu cầu bệnh nằm vòng tròn Điều gây cản trở với bện nhân sợ nơi chật hẹp, vài vấn đề khác Còn kĩ thuật siêu âm lại đòi hỏi đầu dò đơn giản đặt sát da đối tượng Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn phương thức tạo ảnh lớn chẩn đốn hình ảnh Hình 1.2 Ảnh chụp khối u não- chụp PET Hình 1.3 Ảnh chụp khối u não- chụp SPECT Hình 1.4 Sơ đồ máy MRI Hình 1.5 Hình ảnh đầu gối chụp MRI Phương thức chụp ảnh X quang 2.1 Lịch sử Tối ngày tháng 11 năm 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (một giáo sư đại học Julius Maximilian University of Wurzburg) phát loại tia có khả đâm xuyên vật chất đặt tên tia X (X-rays) Rưntgen tìm kiếm tia X mà nhà vật lí Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz dự đốn từ lí thuyết điện từ học maxwell xạ điện từ Rưntgen đăng kí cơng bố việc phát tia X ngày 5/1/1896 Röntgen tiến hành chụp ảnh X quang mẫu mô người Tấm ảnh tiếng ảnh bàn tay vợ ông với nhẫn tay Hình 2.6 Ảnh bàn tay bà Röntgen với nhẫn, chụp năm 1895 Năm 1901, Rưntgen nhận giải Nobel vật lí, ông người nhận giải Nobel Vật lĩ Nhưng khơng may sau đó, vợ ơng nhà nghiên cứu trung tâm ông sớm chết ung thư Việc áp dụng X-ray y tế lần vào ngày 13 tháng năm 1896 bới tiến sĩ Ratcliffe Hall-Edwards Họ vị trí kim nhỏ bàn tay người phụ nữ, tiến hành phẫu thuật hộ trợ tia X ngày sau công bố tồn tia X Cũng năm 1896, Randolp Hearst thách thức cá nhà khoa học chụp ảnh hình ảnh não Nhiều nhà khoa học thử tất thất bại, nhiều kĩ thuật tạo ảnh phát minh (tức là, ống bệnh nhân) Tờ tiếp tục lọc cấp thấp quang phổ chùm tia Một lớp nhơm mm làm giảm bớt 90% lượng tia X 20 keV Đồng sử dụng lọc Đồng lọc hiệu cao cấp quang phổ chùm tia 7.4 Lưới X-Ray nằm rải rác, chủ yếu hiệu ứng quang điện / hiệu ứng tán xạ Compton Các photon rải rác xuất hình ảnh X-Ray tiếng ồn làm giảm chất lượng hình ảnh làm tăng tiếp xúc với bệnh nhân Vì vậy, nỗ lực lớn chi tiêu việc giảm thiểu tán xạ Phương pháp hiệu đặt lưới X-ray kiên nhẫn trước phát thể hình 7-7 Dải lưới thường làm chì, vật liệu X-ray hấp thụ hiệu Nếu dải lưới đủ mỏng, sau hình ảnh họ máy dị khơng đáng kể Tuy nhiên, u cầu chất lượng hình ảnh địi dải chì dày, sau lưới điện di chuyển trình tiếp xúc với làm mờ hình ảnh đường lưới Lưới thể gọi mạng lưới tuyến tính Các hình thức khác lưới sử dụng Ví dụ, dải lưới điện tập trung phía nguồn Xray, sau lưới điện gọi mạng lưới tập trung 7.5 Đầu dị Mắt người khơng thể nhìn thấy photon X-ray que hình nón mắt của đáp ứng để giảm tần số sóng EM, 35 khơng phải tần số cao X-ray EM sóng Như hệ quả, việc phân phối truyền lượng tia X phải chuyển đổi thành hình thức mà "nhìn thấy" Việc chuyển đổi thường thực bởi: Phơi phim chụp ảnh: tia X lượng kích thích tinh thể bạc halogenua, rửa để lại phim xem được; Ước tính mật độ photon cách đo ion hóa chất khí; Chuyển đổi photon X-Ray để ánh sáng nhìn thấy, khuếch đại ánh sáng với ống nhân quang Xây dựng máy dò trạng thái rắn với tỉ lệ dòng chảy mật độ photon Các ảnh chụp bị tính chất phi lý tưởng nguồn tia X thiết bị dị Những phẩm chất khơng thỏa thuận unsharpness hình học, kích thước dầm, phóng đại đối tượng Hình 7-8 minh họa độ hữu hạn nguồn tia X gây mờ hình ảnh tác dụng làm mờ đầu mối hữu hạn Nếu chùm tia Xray có chiều rộng chùm f sau điểm bệnh nhân xuất điểm bôi mờ với chiều rộng d Đây loại unsharpness gọi unsharpness hình học, vùng nửa tối Để giảm bớt hiệu ứng, tăng S cách di chuyển nguồn tiếp từ bệnh nhân, giảm t cách di chuyển bệnh nhân gần tốt để máy dò, giảm f cách cài đặt điểm collimator gần ống 36 Hình 7-9 minh họa ảnh hưởng kích thước chùm tia phân kỳ Sự gia tăng kích thước với tăng khoảng cách từ nguồn photon khơng du lịch quỹ đạo xác song song Để giảm bớt hiệu ứng, giảm khoảng cách từ nguồn đến bệnh nhân Tất nhiên, giải pháp làm trầm trọng thêm vùng nửa tối mờ hiệu lực Hình ảnh 7-10 X-ray đối tượng phóng đại tỷ lệ (S f S f - t) minh họa hiệu ứng phóng đại Các kích thước biểu kiến đối tượng bị ảnh hưởng vị trí lĩnh vực máy quét xem Đối tượng gần gũi với nguồn lớn đối tượng có 37 kích thước tương tự đặt cách xa nguồn Để giảm thiểu hiệu ứng này, gia tăng khoảng cách hình thành bệnh nhân đến nguồn Kể từ mắt người khơng thể nhìn thấy thơng tin thực X-ray trực tiếp, hình ảnh phải chuyển đổi sang hình thức "ảo " Thơng thường q trình bắt đầu với hình tăng cường Một hình tăng cường lớp phosphor (0,050,3 mm dày) phát photon ánh sáng xảy photon Xray Các chất lân quang phổ biến canxi Tungstat (CaWO4) terbi kích hoạt oxysulfide đất hiếm, chất lân quang sử dụng Hiệu CaWO4 5%, phốt (như gadolinium (Gd2O2S)) đạt hiệu suất lớn 15% Những chất lân quang phát ánh sáng dải hẹp thường xanh màu xanh) Nhiều hệ thống hình ảnh điện tử sử dụng Bộ tăng hình ảnh (hiển thị sơ đồ ở) Các photon tia X đến ropagated qua bệnh nhân hấp thụ huỳnh quang (thường 15 đến 35 cm, đường kính) với khí thải photon ánh sáng Các photon ánh sáng đập vào photocathode giữ tiềm mặt đất, khiến phát electron số tỷ lệ thuận với độ sáng hình Các photocathode thường làm hợp chất antimon cesium Các chùm tia điện tử đẩy mạnh tập trung vào huỳnh 38 quang, đầu anode, đặt khoảng 25 kV cao so với cực âm Màn hình đầu thường đường kính 1,5-2,5 cm Hai loại máy dò xạ sử dụng cho X-ray phát hiện: dò nhấp nháy máy dị buồng ion hóa cho thấy máy dị nhấp nháy, bao gồm tinh thể nhấp nháy (thường sodium iodide với dấu vết tali) với ống nhân quang 39 Các photocathode phát electron đập ánh sáng Các electron gia tốc dynodes, bao phủ vật liệu phát electron thứ cấp xảy với electron Bằng cách này, số lượng điện tử nhân chùm electron từ dynode để dynode Sản lượng tỷ lệ thuận với số electron bật Vn Hiệu loại thiết bị lớn 85% Loại thứ hai máy dị buồng ion hóa thể hình 713 máy dị bao gồm buồng chứa đầy chất khí (thường xenon) Các phân tử buồng ion hóa photon X-ray Các ion sau thu hút vào điện cực khác biệt điện áp điện cực Thiết bị giá rẻ, có yếu tố hình thức tương đối nhỏ (kích thước nhỏ) 7.6 Những phương pháp tổng hợp Có nhiều phương pháp sử dụng chẩn đoán y tế Một số chụp huỳnh quang, chụp nhũ ảnh, Xeroradiography X-Ray chụp phim, xem trực tiếp huỳnh quang Hình 7-14 minh họa fluoroscope thông thường Trong thủ tục huỳnh quang điển hình cho việc kiểm tra đường tiêu hóa, phương tiện tương phản (thường bari sulfat) uống thuốc xổ cho thấy X-Ray đại tràng nơi ruột kết có chứa chất cản xuất tối so với mô xung quanh Do bệnh nhân liên tục tiếp xúc với xạ X-ray, liều xạ cao 40 41 X-Ray chụp nhũ ảnh thường thực mà không cần tiêm tương phản Nhũ ảnh có vài yêu cầu đặc biệt Ví dụ, lượng thấp (thường 20 keV) X-Ray sử dụng từ mô mềm Kết là, anode ống tia X làm molypden đơn vị nhũ ảnh 42 đại đạt độ phân giải không gian tốt so với 0,1 mm với liều xạ thấp Xeroradiography kỹ thuật X-ray phát triển Tổng công ty Xerox sử dụng lượng Xray 35 45 keV kỹ thuật điện tương tự máy photocopy Xerox Hình 7-16 minh họa thuộc tính vật lý máy Hình 7-17 cho thấy hình ảnh xeroradiographic điển hình vú 43 Tổng kết lịch sử Trước tia X phát Tiến sĩ Röntgen, vai trị bác sĩ chẩn đốn sai với bệnh nhân trước xem xét tiên lượng điều trị Chẩn đoán xác phụ thuộc nhiều vào lịch sử thu kỹ bác sĩ thẩm vấn bệnh nhân Nhưng lúc bác sĩ sử dụng giác quan, thị giác, xúc giác, thính giác, khứu giác nếm để xác định bất thường bệnh nhân Điều minh họa, phần, hình đây: 44 Hippocrates phát triển quan sát bệnh nhân tiến bệnh ngành khoa học y học Ơng mơ tả xuất bệnh nhân, cảm thấy nhiệt độ họ, mùi ói mửa Mặc dù bác sĩ trở thành đặc biệt kỹ kiểm tra khối u, vết cắt phá vỡ thể (ví dụ, "bên ngoài" y học), họ cố gắng để kiểm tra bên thể Có trường hợp ngoại lệ Hippocrates lắc bệnh nhân với viêm màng phổi để phát giật gân có dịch khoang màng phổi; Hippocratic Succussion Splash Các quan sát coi khoa học đo chúng thực Ở Alexandria, Herophilus 300 TCN cảm thấy nhịp đập đếm sử dụng đồng hồ nước Galen, 129 ACE, dựa nhiều vào cảm ứng sờ nắn để chẩn đoán kỹ cần thiết để đánh giá vết thương vết thương Galen thực hành y học thể thao với đấu sĩ Ơng mơ tả xuất chung bệnh nhân mồ hôi nếm thử vàng da nghe bụng ầm ầm Galen học nhiều từ bắt mạch, mà ông làm hai cổ tay ba ngón tay Các xung cho tiết lộ rối loạn quan thể Có nhiều điểm chung với hiểu từ xung y học Trung Quốc - có lẽ lây lan ý tưởng dọc theo Con đường tơ lụa Người Trung Quốc không đo xung cho biết để học nhiều thứ từ cảm giác 45 Năm 1583 sinh viên y khoa chán giảng quan sát thấy dao động đèn bàn thờ khơng thay đổi điều sử dụng để đo thời gian Học sinh Galileo (1564-1642) người, biết, bỏ thuốc cho danh tiếng thiên văn tài sản bị bệnh bàn tay Giáo Hội Công Giáo đồng hồ lắc Galileo chuyển thể Sanctorius (1561-1636) để đo xung () Sanctorius coi tobe nhà sinh lý lớn ơng sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ, ghế có trọng lượng để đo lượng sản lượng lương thực chất lỏng Nhưng kể từ có hiểu biết chức thể, phép đo không tiến dược phẩm Điều thay đổi với thời kỳ Phục hưng Ý học anatomists người xác định thực trạng quan thể thiết lập cảnh cho hiểu biết chức chúng Công việc người Anh William Harvey (1575-1657), người nghiên cứu Ý mô tả lưu thông máu nói thêm để chẩn đốn bệnh Ơng nghĩ trái tim phân phối humours tinh thần Năm 1707, Sir John Floyer (1649-1743) giới thiệu đồng hồ xung nghĩ có giá trị work.Physicians Harvey bắt đầu đếm xung thường xuyên lưu ý theo cách khác 46 Một chiều hướng thêm vào phép đo thể với công việc Stephen Hales (1677-1771), người nghiên cứu áp lực động mạch tĩnh mạch Ơng chèn ống thơng vào mạch đo chiều cao cột máu - ông đo huyết áp (xem) Nhưng tiến tương đối vô nghĩa hiểu biết bệnh thường bất thường cấu trúc hay chức quan Sau phát tiến sĩ Röntgen, thuốc táng tận lương thay đổi (tất nhiên, phát tia X động lực cho thay đổi y tế, người khác bao gồm gây mê, ý niệm nhiễm trùng huyết, vv) Không lâu trước kiến thức đầu gối xương hơng (ví dụ) cung cấp mà khơng có dao hình ảnh ví dụ sau 47 Tài liệu tham khảo Berger, S., W Goldsmith, and E Lewis (eds.) Introduction to Bioengineering, Oxford, New York, 1996 This reference is complete, but it is written at a beginning graduate level The section on medical imaging is brief, but useful Brown, B., R Smallwood, D Barber, P Lawford, and D Hose Medical Physics and Biomedical Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1999 This was to be our textbook for the semester 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 This is a wonderful brief text from which many of the images are drawn Unfortunately, this text is out of print Webb, S (ed) The Physics of Medical Imaging, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1992 This is a complete text covering all aspects of medical imaging Unfortunately, this text is out of print Many electronic images are stored in DICOM format, which is promulgated by the IEEE and NEMA See: 48 http://www.ctmed.ru/DICOM_HL7/ which states: Hаpяду с буpным pостом компьютеpных технологий, в медицине все более остpо встает вопpос о создании единых международных стандартов обмена медицинскими данными.В разных странах этот вопрос решается по-разному и именно поэтому существует множество различных медицинских стандартов: ASTM, ASC X12, IEEE/MEDIX, NCPDP, HL7, DICOM и т.п Как правило, стандарты носят названия групп/комитетов и прочих некоммерческих организаций их разрабатывающих 49 ... Barber, P Lawford, and D Hose Medical Physics and Biomedical Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1999 This was to be our textbook for the semester Dhawan, A., Medical Image Analysis,... The Physics of Medical Imaging, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1992 This is a complete text covering all aspects of medical imaging Unfortunately, this text is out of print Many electronic... Principles of Medical Imaging, Academic Press, San Diego, 1992 This is a wonderful brief text from which many of the images are drawn Unfortunately, this text is out of print Webb, S (ed) The Physics of