Nguyên lý tái tạo ảnh trong máy CT

Luận Văn: Nguyên lý tái tạo ảnh trong máy CT

Lời nói đầu

Ngày nay khi mà nền kinh tế đã phát triển, trình độ nhận thức của con ngời đợc nâng cao thì nhu cầu chăm sóc và bảo vệ sức khoẻ ngày càng đợc quan tâm hơn Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trên thế giới nói chung và ở nớc ta nói riêng lĩnh vực thiết bị y tế chăm sóc sức khỏe con ngời luôn đợc đầu t và quan tâm một cách thích đáng Một trong những bộ phận nhỏ đợc ứng dụng vào y tế đó là hệ thống thiết bị chẩn đoán hình ảnh Hệ thống này đang đợc dần trang bị cho các bệnh viện nhằm phục vụ nhu cầu khám và chữa bệnh Các thiết bị đó ngày càng hoàn thiện về tính năng và sự tiện dụng Một trong những thiết bị đó là máy chụp cắt lớp điện toán (CLĐT) Đây có thể coi là một trong những thiết bị mới và hiện đại nhất trong hệ thống thiết bị chuẩn đoán hình ảnh ở nớc ta Với hệ thống chụp CLĐT thì hình ảnh vùng thăm khám đợc thể hiện rõ nét hơn, tạo ra đợc các lớp cắt trong cơ thể giúp cho bác sỹ đễ dàng chẩn đoán hơn Với những ứng dụng

thiết thực của hệ thống máy CT em đã đợc chọn đề tài tìm hiểu về Nguyên lý tái“

tạo ảnh trong máy CT ” Đây là phần khá quan trọng trong việc tạo ra hình ảnh

lớp cắt trên cơ thể bệnh nhân Do đó việc tìm hiểu cơ chế hoạt động của phần này là rất thiết thực và bổ ích Tuy nhiên do trình độ kiến thức và thời gian hạn chế do đó bài tiểu luận này vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót mong đợc sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn.

Phần A Tổng quan về máy chụp cắt lớp điện toán

X ray computed tomography–

I Giới thiệu:

+ CT là một phơng pháp chụp quang tuyến X đặc biệt, khác về bản chất với ơng pháp chụp X quang cắt lớp cổ điển ( là phơng pháp dựa trên phơng thức làm mờ những vùng ngoài cần quan tâm ) Thực chất không cần thiết phải dùng máy tính để thực hiện phơng pháp chụp này, nhng với việc ứng dụng máy tính để tạo ảnh đã chứng tỏ rất có hiệu quả.

ph-+ Trong phơng pháp chụp X quang cổ điển hình ảnh của đối tợng đợc ghi trên phim dới dạng ảnh bóng mờ hai chiều Hình ảnh tạo ra theo kiểu chụp này là hình ảnh xếp chồng của nhiều đối tợng khác nhau trên đờng truyền của tia X Do vậy việc chuẩn đoán dựa vào phim cũng phần nào bị hạn chế.

+ Nhằm khắc phục nhợc điểm đó, CT tạo ra ảnh thay thế thay cho ảnh xếp chồng vì chỉ xử lí những thông tin của lớp cắt cần quan tâm Nh vậy trong CT chi tiết của đối tợng tơng ứng một cách chính xác với chi tiết ảnh mà không liên quan dến các phần tử đối tợng nằm cận kề trên đờng chiếu của chùm tia X Đây chính là điểm cốt lõi chứng minh tính hiệu quả cao của phơng pháp này: CT có thể tạo ra những ảnh của các mô mềm với độ tơng phản cực cao mà phơng pháp cổ điển không thể thực hiện đợc.

+ Đặc biệt hơn kỹ thuật CT còn giúp tạo ảnh hình dạng thực của các cơ quan bị tổn thơng, phơng pháp cổ điển chỉ tạo ảnh thông qua các thông tin gián tiếp thông qua sự dịch chuyển của mạch máu, trong khi đó CT rất nhiều trờng hợp đã cung cấp nhiều chỉ dẫn chính xác hơn khi chụp mạch.

II Một số khái niệm cơ bản:

a Nguyên lý cơ sở:

+ Để tạo đợc ảnh của các lớp cắt cần quan tâm trong cơ thể thì cần phải tính đợc độ suy giảm của tia X khi đi qua lớp cắt tại nhiều hớng nhờ một hệ thống bóng X quang và bộ phát hiện ( cảm biến) Một dạng hệ thống đơn giản nhất là sử dụng chùm tia có bề dày cỡ bút chì xuyên qua lớp cắt để đo độ suy giảm Để xác định độ suy giảm, trớc hết dịch chuyển hệ thống đo này theo hớng vuông góc với chùm tia và song song với mặt phẳng chứa lớp cắt, sự dịch chuyển này trải qua toàn bộ tiết diện của lớp cắt.

+ Đồng thời tại những khoảng nhất định trong khi dịch chuyển , cờng độ bức xạ tia X tại cảm biến sẽ đợc ghi lại Nh vậy sau khi đã dịch chuyển toàn bộ lớp cắt sễ ghi đợc một tập hợp các số liệu đo tơng ứng với một tiết diện chéo và tập số liệu

Hình 1: Mô phỏng hệ thống CT đơn giản nhất

+ Trái ngợc với kỹ thuật chụp X quang cổ điển, để tạo đợc ảnh trong kỹ thuật CT cần có nhiều phép chiếu Những phép chiếu này đợc tạo ra bằng cách quay cả hệ thống đo một góc nhỏ cỡ 1o chng quanh trục vuông góc với mặt phẳng chứa lớp cắt, sau mỗi lần thực hiện phép chiếu, rồi thực hiện phép chiếu theo trình tự nh trớc cho tới khi cả hệ thống đo dịch chuyển một góc quay ít nhất bằng 180o.

+ Trong quá trình đo, những số đo nh vậy sẽ đợc mã hoá theo một dạng thích hợp rồi truyền tới máy tính Với kỹ thuật ngày nay để tạo ra một ảnh cần tới 100 phép chiếu và mỗi phép chiếu cần tới vài trăm số đo Sau đó dựa trên những số đo này máy tính sẽ tính ra độ suy giảm và sự phân bố của những sự suy giảm này trên tiết diện lớp cắt của đối tợng.

+ Vì khả năng tính toán của máy tính chỉ có thể xử lí và tính toán có hạn đối với số đo và độ suy giảm nên giả thiết lớp cắt là một tập hợp các nguyên tố thể tích Tuy nhiên độ suy giảm tia X luôn biến đổi ngay trong các nguyên tố thể tích riêng rẽ trong lớp cắt vì vậy trị số suy giảm chỉ là trung bình.

+ Để tạo ra hình ảnh của lớp cắt thì thông thờng ma trận điểm ảnh đợc chuyển đổi thành các mầu sắc trắng, xám, đen hoặc mầu để biểu thị trên màn hình và mắt ngời có thể quan sát đợc.

b Thang đo độ suy giảm tuyến tính:

+Để đánh giá độ suy giảm của một chất đồng nhất đối với một tia X đơn sắc ta cố phơng trình :

J = Jo e -àx Trong đó J : Cờng độ bức tia ló

Jo : Cờng độ bức xạ tia ló; x : Bề dày lớp đối tợng; à : Hệ số suy giảm tuyến tính của tia X với vật chất nói chung.

Trị số à phụ thuộc rất nhiều vào năng lợng bức xạ vì vậy chỉ có ứng dụng để đặc trng hoá khả năng suy giảm của tia X Trong CT thay vì sử dụng à, một đơn vị đặc trng đợc ứng dụng là chỉ số CT đợc tính theo công thức sau:

CT =

Nếu đơn giản chỉ đem đặt những tín hiệu cờng dộ rieng rẽ đã đợc xử lí nh trên vào ma trận ảnh điểm thì hình ảnh tạo ra sẽ không đạt yêu cầu vì tồn tại các bóng mờ Để khử các bóng mờ này, phép chiếu sau khi đợc tiền xử lí sẽ đợc trộn với hàm lọc trớc khi xếp chồng trở lại vào ma trận Quá trình đã chỉnh lí tín hiệu sao cho nó mang cả thành phần âm và dơng Nếu hàm lọc đợc lựa chọn thích đáng thì có thể khử đợc bóng mờ Đặc trng của quá trình xử lí lọc là từng giá trị đo đều đợc sửa đổi theo các mức độ khác nhau để phù hợp với từng ảnh điểm Đây cũng là đặc trng của CT trong việc xử lí chống nhiễu.

III Một số phơng pháp quét và các thế hệ máy CT:

1 Máy CT thế hệ thứ nhất:

Bộ thu chỉ gồm một đầu dò, chùm phát ra tia hẹp và song song dạng bút chì.+ Phơng thức quét: Bóng X quang và đầu dò dịch huyển song song theo hớng vuông góc với chùm tia bao trim toàn bộ mặt phẳng lớp cắt sau đó quay một góc rồi tiếp tục dịch chuyển song song theo hớng mới Trong khi dịch chuyển song song, tại những khoảng cách đều đặn chùm tia X đợc phát và thu Quá trình cứ tiếp diễn cho tới khi số lợng tín hiệu thu đợc đủ lớn cho việc tái tạo ảnh.

+ Tuy nhiên thế hệ máy này hiện tại không đợc dùng vì hiệu suất sử dụng nguồn tia X thấp và phải tạo một liều tia X đủ lớn tại cảm biến đủ để đo nên máy không

+ Với hệ thống này để tạo ảnh một lớp cắt cần phải mất vài phút vì vậy chỉ đợc ứng dụng trong chụp cơ quan tĩnh nh xơng, sọ não.

+ Thời gian chụp có thể giảm nhờ một cảm biến thứ hai đặt lion kề với cảm biến đầu theo hớng của bề dày lớp cắt chùm tia X sẽ tơng hợp với cả hai cảm biến và xử lí dữ liệu cho cả hai lớp cắt Tuy nhiên trong thực tế việc giảm thời gian tạo ảnh chỉ có thể đạt đợc nhờ tăng số lợng kênh đo cho một lớp cắt.

2 Máy CT thế hệ thứ hai:

+ Cấu trúc: Thay vì dùng một đầu dò, nay dùng chùm đầu dò khoảng 20 – 30 đầu dò đặt liền nhau trong hớng quét, chùm tia phát có dạng hình quạt.

+ Phơng pháp quét: Dùng hai loại dịch chuyển là song song và quay.

+ Với cách bố trí đầu dò này thì lợng dữ liệu sẽ đợc đo nhiều hơn nhờ vào số ợng đầu dò tăng Chính vì vậy thời gian quét đã đợc giảm xuống khoảng 50 – 60 giây.

l-3 Máy CT thế hệ thứ ba:

+ Cấu trúc: Số lợng đầu dò tăng lên vài trăm cái và đợc bố trí trên một vòng cung đối diện và gắn cố định với bóng X quang Chùm tia X phát ra theo hình quạt với góc từ 30 – 600 tuỳ theo số lợng đầu dò và bao trùm toàn bộ lớp cắt.

+ Phơng pháp quét: Hệ thống do quay quanh đối tợng một góc 3600 để thực hiện một lớp cắt Khi quay tia X có thể đợc phát thành xung tại những góc cố định hoặc đợc phát liên tục Với cấu trúc này thì hệ thống đo chỉ thực hiện một kiểu chuyển động quay và quay liên tục chứ không phải từng bớc do đó thời gian chụp giảm xuống cỡ một vài giây.

5 Máy CT thế hệ thứ năm:

Để giảm thời gian quét xuống thấp hơn nữa ( cỡ khoảng n.10ms) một số ngiên cứu và thực nghiệm về một loại máy CT mới tạm gọi là máy CT thế hệ thứ năm trong loại máy này, để tạo ra một lớp cắt không có sự chuyển động của bất kỳ một

bộ phận nào trong hệ thống đo Chùm tia X không chỉ phát bởi một mà là một hệ thống bóng X quang hoặc một loại bang X quang đặc biệt với anod có nhiều rãnh bố trí cố định chung quanh bệnh nhân Bộ phát hiện bao gồm nhiều đầu dò bố trí cố định trong một vòng cung 1800 Chùm tia điện tử từ song điện tử đợc điều khiển lần lợt bắn vào bề mặt các rãnh anod trong một góc quay 1800 tuy nhiên hệ thống máy CT loại này vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm.

6 Một số đặc điểm của các thế hệ máy CT:

* Phân loại theo ph ơng thức thu thập dữ liệu : Loại máy CT thế hệ 1,2 sử dụng phép chiếu song song vì vậy gọi là máy quét chùm song song Loại máy thế hệ thứ ba dùng phép chiếu xuyên tâm, có sự chuyển động của bang X quang và cảm biến nên còn gọi là máy quét chùm rẻ quạt Loại máy thế hệ thứ t cũng dùng phép chiếu xuyên tâm nhng bang X quang thì quay trong khi đó hệ thống cảm biến đứng yên và có thể coi nh tâm phép chiếu nên gọi là máy quét cảm biến vòng.

* Hạn chế ảnh h ởng của chùm tia thứ cấp : Trong hệ thống máy CT để giảm thời gian phát tia ngời ta thờng mở rộng chùm tia, nhng khi đó lợng tia X quang thứ cấp thâm nhập vào các cảm biến tăng do đó làm giảm chất lợng hình ảnh Để giảm l-ợng tia X quang thứ cấp ngời ta thờng bố trí một hộp chuẩn trực ngay trớc mặt hệ thống cảm biến, hớng hội tụ của hộp chuẩn trực này hớng về điểm hội tụ của bóng và hộp chuẩn trực này đợc gắn cố định và cùng quay với hệ thống đo quanh bệnh nhân Tuy nhiên trong loại máy CT thế hệ thứ t thì không thể đặt hộp chuẩn trực tr-ớc cảm biến đợc vì khi đó hớng hội tụ của hộp chuẩn trực sẽ tâm vòng chứ không vào điểm hội tụ nh yêu cầu Trong trờng hợp này một giải pháp đa ra là tăng khoảng cách giữa bệnh nhân vẩcm biếnđể giảm bức xạ thứ cấp.

* ả nh h ởng của khoảng cách giữa các cảm biến: Để cải thiện chất lợng hình ảnh thì cần tăng số lợng đầu dò, tuy nhiên số lợng này tăng đến một lợng nào đó thì chất lợng ảnh cũng không cải thiện đợc nữa Do đó ngời ta cố gắng duy trì số l-ợng đầu dò ít nhất mà vẫn thoả mãn đợc chất lợng hình ảnh Tuy nhiên trong loại cảm biến vòng thì khoảng cách giữa các cảm biến lớn hơn so với máy chùm hình quạt vì yêu cầu kích thớc của thiết bị phù hợp với ngời bệnh Kết quả là độ phân giải không gian giảm, để khắc phục điều này ngời ta đặt bổ sung bộ chuẩn trực để giảm bớt dộ rộng cảm biến nhng lại dẫn đến làm tăng nhiễu ảnh và giảm khả năng phân giải nếu vẫn giữ nguyên liều lợng tia vì vậy làm tăng liều lợng tia cho ngời bệnh.

IV Cấu trúc hệ thống máy CT:

Hình 2: Hệ thống chụp cắt lớp điện toán 1 Giàn quay:

+ Là nơi chứa bóng X quang, đầu dò và hệ thống tích luỹ dữ liệu.

+ Để tạo các lớp cắt chéo , giàn quay có thể điều chỉnh nghiêng so với các mặt phẳng đứng các góc tới ± 300 tuỳ thuộc loại máy Góc nghiêng có thể đặt tự động hoặc nhân công.

* Bóng X quang: Cấu trúc bóng X quang ở máy CT giống nh của máy X quang thông thờng đó là loại anod quay và tốc độ quay có thể điều khiển đợc và làm mát bằng dầu và quạt gió để có khả năng phát tia lâu dài Khả năng chịu nhiệt của bóng rất cao tới vài MHU, thông thờng trong bóng có chứa cảm biến nhiệt để đo lờng và kiểm soát tình hình của bóng.

* Giàn quay máy CT thế hệ thứ ba:

+ Các kiểu quay: Quay liên tục ( Quay theo một chiều) và quay đảo chiều ( quay thuận và ngợc chiều kim đồng hồ đan xen nhau).

+ Giàn quay vòng trợt: Vòng trợt hình đĩa, vòng trợt hình trụ, vòng trợt điện áp thấp và vòng trợt điện áp cao.

+ Các kiểu quét cắt lớp trong máy CT vòng trợt:

- Quét thông thờng: Quay giàn quay để thu thập dữ liệu cho một lớp cắt, bàn bệnh nhân dịch chuyên một khoảng cách bằng bề dày lớp cắt và hiển thị ảnh đợc tiến hành tuần tự và lặp lại cho các lớp cắt liền kề.

- Quét nhanh: Giàn quay và bàn bệnh nhân dịch chuyển đợc tiến hành tuần tự và lặp lại cho các lớp cắt.

- Quét xoắn ốc: Giàn quay quay liên tục, bàn bệnh nhân liên tục dịch chuyển với tốc độ cố định và tia X liên tục phát để tạo ảnh.

* Thu thập và tích luỹ dữ liệu:+ Đầu dò :

- Đầu dò khí xê - nông: Dựa vào sự ion hoá khí xê-nông để sinh ra dòng điệnđợc tích luỹ nh là một dữ liệu thô để tái tạo ảnh.

- Đầu dò chất rắn thông thờng CdWo4: Đợc chế tạo bởi vật liệu phát quang và điốt phát quang Khi tia X va đập vào tấm vật liệu sẽ đợc biến đổi thành ánh sáng Nhờ điốt phát quang ánh sáng này đợc biến đổi thành dòng điện.

- Đầu dò chất rắn gốm đất hiếm: Sử dụng gốm đất hiếm thay cho CdWo4 làm vật liệu phát quang.

Hình 3: Cấu trúc đầu dò khí xê - nông

4 Bàn điều khiển:

Là khối liên lạc trung tâm giữa ngời dùng và hệ thống thiết bị Tại bàn điều khiển chỉ có một bàn phím, màn hình

5 Máy chụp phim:

Là công cụ lu ảnh trên phim Hình ảnh đợc chụp lại từ một hình đợc bố trí trong máy Hiện nay hệ thống máy CT đều trang bị hệ thống chụp kỹ thật LASER và sử dụng phim khô.

V Nguyên lý hoạt động:

+ Máy chụp cắt lớp điện toán là một thiết bị tạo ảnh số, công cụ cao cấp trong

hệ thống kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh y học Nó đợc dùng để thu thập và tạo ra hình ảnh các lớp cắt thuộc nhiều bộ phận khác nhau của cơ thể.

+ Máy chụp cắt lớp điện toán cũng ứng ụng nguồn bức xạ X quang và các thuộc tính khi nó xuyên qua các bộ phận của cơ thể có độ hấp thụ khác nhau.

+ Máy hoạt động theo nguyên lý sau:

- Bức xạ quang tuyến xuyên qua một lớp cắt mỏng ( 1- 10mm) và vuông góc với trục cơ thể, tới bộ phát hiện ( detector ) gồm nhiều tế bào ghi nhỏ để đo bức xạ quang tuyến đã bị suy giảm khi đi qua các vùng khác nhau của cơ thể.

- Hai bộ phận nguồn phát tia – bóng X quang và thiết bị đo – bộ phát hiện

liên kết hữu cơ với nhau, quay quanh cơ thể cho phép thực hiện khoảng hàng ngàn phép đo trong một vòng quay 3600, những dữ liệu đo sẽ đợc ghi vào bộ nhớ.

- Hệ thống máy tính điện tử sẽ tính toán, xử lý những dữ liệu này và tái tạo thành hình ảnh của các lớp cắt.

Phần B Tái tạo ảnh CT

I Khái niêm chung:

+ Nh đã phân tích ở trên, máy CT có thể chụp ảnh quang tuyến tia X nhng lớp cắt ngang thuộc cơ thể mà những ảnh này không bị nhiễu gây ra bởi các bóng của các lớp cận kề Hơn nữa hình ảnh CT không còn là ảnh xếp chồng Điều mà nó tạo ra là biểu hiện đợc khả năng làm suy giảm bức xạ tại chỗ của từng điểm ảnh tức là thuộc tính vật lý của tế bào sinh học đợc biểu hiện qua dạngmức xám.

+ Trong khi với phơng pháp tạo ảnh quang tuyến X cổ điển, dù đã tạo đợc ảnh sắc nét thì những hình ảnh của các lớp cận kề có mặt trong trờng bức xạ cũng vẫn đặt chồng vào ảnh của lớp cần quan tâm và trong một mức nào đó tạo ra bóng nhiễu Trong máy CT thì những bóng nhiễu này bị loại trừ vì điểm hội tụ và cảm biến đo chỉ nằm trong mặt phẳng lớp cắt đang đợc nghiên cứu và chùm bức xạ chỉ cắt lớp cắt này Điều này có nghĩa là mỗi cấu trúc của mô trong lớp cắt tự tạo ra bóng ảnh của mình Nói cách khác, với một vị trí xác định của điểm hội tụ và cảm biến, sự phân bố của cờng độ đo dợc của tia X thâm nhập vào đối tợng chỉ cung cấp thông tin về tổng của toàn bộ suy giảm đối với tia X khi xuyên qua đối tợng.

+ Nh ta đã biết chỉ với một giá trị đo thì không thể xác định đợc sự phân bố của độ suy giảm dọc theo chùm tia bức xạ Bởi vậy với một phép chiếu sẽ không đủ dữ liệu dể xác định sự phân bố của khả năng làm suy giảm bức xạ trong lớp cắt mà phải cần tới rất nhiều phép chiếu theo các phơng khác nhau đặc biệt với những đối tợng có cấu trúc phức tạp.

+ Tuy nhiên những đối tợng có cấu trúc quá tinh vi thì ít đợc tạo ảnh bằng CT, vì chỉ có thể tạo đợc ảnh của đối tợng này với nhiều bóng mờ Đứng về phơng diện lý thuyết thông tin, hệ thống đo thực hiện phép lọc thông giai thấp và vì vậy nó chỉ mô phỏng đối tợng nào có mức độ tinh vi nhất định Vấn đề xác định xem cần bao nhiêu phép chiếu sẽ đợc xem xétở những phần sau: Bề dày hữu hạn của cảm biến và hội tụ trong máy CT không nên xem nh là nguyên nhân làm giới hạn độ phân giải mà nên xem đó nh là một điều kiện cần thiết để tái tạo một ảnh CT rõ ràng.

II Nguyên lý tái tạo ảnh:

1 Nguyên tắc chung:

+ Để phân tích nguyên lý tái tạo ảnh, ta sử dụng loại máy CT có cấu trúc đơn giản nhất – loại máy chùm tia song song Các loại máy chùm rẻ quạt và cảm bién vòng đòi hỏi các thật toán phức tạp hơn nhiều, tuy nhiên chúng cũng có thể dẫn xuất từ thuật toán áp dụng cho loại máy chùm song song bằng phép biến đổi toạ độ.