Đề tài Phân tích kĩ thuật máy chụp X-Quang số (CR&&DR)

Cuối cùng, chùm tia tác dụng với bộ phận thu nhận và xử lí ảnh để ra kết quả, bộ phận thu nhận và xử lí ảnh là điểm khác biệt lớn nhất giữa các kỹ thuật máy chụp X-Quang.[1] - Máy chụp X

HỌC VIỆN KĨ THUẬT QUÂN SỰ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ Y SINH **&**

ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH KĨ THUẬT MÁY CHỤP X-QUANG SỐ

(CR&&DR) MÔN: THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH 1

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN PHÚ ĐĂNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN: Phạm Thị Ngọc

Nguyễn Mai Chi Nguyễn Hồng Lam

Lê Thùy Trang Lớp: Điện Tử Y Sinh K11

HÀ NỘI, 2016

Mục lục:

Contents

Lời mở đầu: 3

I, Khái niệm, phân loại và chức năng của máy chụp X-Quang số 4

1.1, Khái niệm: 4

1.2, Phân loại: 5

1.3, Chức năng máy X-Quang số: 6

II, Cấu tạo và nguyên lí làm việc của máy X-Quang số: 7

2.1, Máy X-Quang kĩ thuật số gián tiếp CR (computed radiography) 7

2.1.1, Cấu tạo: 7

2.1.2, Nguyên lí hoạt động – quá trình thu nhận ảnh của CR: 8

2.1.3, Ưu- nhược điểm của CR:[4] 12

2.2, Máy X-Quang kĩ thuật số trực tiếp DR (Directly Radiography) 13

2.2.1, Cấu tạo: 13

2.2.2, Nguyên lí hoạt động – quá trình thu nhận ảnh của DR 13

III, So sánh máy X-Quang số CR và DR 21

IV, Vấn đề an toàn khi chụp X-Quang: 22

Lời kết: 25

Tham khảo: 26

Lời mở đầu:

Trong xã hội hiện nay, y tế là 1 trong những vấn đề đang được quan tâm nhiều nhất Các phương pháp y học, các kĩ thuật tiến tiến hiện nay đều đang hướng phát triển và y tế Một trong những vấn đề được quan tâm của y tế là chẩn đoán hình ảnh Đây là 1 kĩ thuật quan trọng trong việc phát hiện và chẩn đoán bệnh cho bệnh nhân cũng như phương hướng chữa bệnh Hiện nay, kĩ thuật chụp X-Quang đang là

kĩ thuật hiện đại nhất có chức năng chụp chiếu để phát hiện bệnh X-Quang sử dụng tia X để đâm xuyên các vật thể qua đó chụp lại được hình ảnh bên trong Việc này đã giúp ích rất nhiều vì có thể giúp chụp được hình ảnh bên trong cơ thể người,

từ đó mà phát hiện ra các u hay các dị thường trong cơ thể con người Hệ thống Quang hiện nay có rất nhiều loại máy X-Quang, các kĩ thuật sử dụng trong các máy cũng khác nhau Tuy nhiên hiện đại nhất hiện nay phải kể đến X-Quang kĩ thuật số

X-Và kĩ thuật X-Quang kĩ thuật số là kĩ thuật cho hình ảnh chất lượng tốt nhất, tối ưu hóa chức năng của máy X-Quang và đảm bảo an toàn cao nhất cho bệnh nhân Với

kĩ thuật chụp chiếu hiện đại, máy X-Quang kĩ thuật số hiện được sử dụng rộng rại trên toàn thế giới

I, Khái niệm, phân loại và chức năng của máy chụp X-Quang số

1.1, Khái niệm:

* Khái quát chụp X-Quang số:

- Tia X: được nhà bác học người Đức Roentgen phát hiện ra vào năm 1895, với phát minh này ông nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1901 Tia X được sinh ra

từ sự thay đổi quỹ đạo của electron khi nó đang chuyển động có gia tốc đến gần 1 hạt nhân, khi quỹ đạo của tia X thay đổi, 1 phần động năng(là phần năng lượng của vật thể có được khi chuyển động) của electron sẽ bị mất đi và chính năng lượng này chuyển thành bức xạ điện tử, phát ra tia X.[1]

Bản chất của tia X là 1 dạng của sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 0,01 đến 10nm tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz và năng lượng 120

eV đến 120 KeV Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia

gamma

- Tính chất tia X:[1]

+ Tính truyền thẳng và đâm xuyên: Tia X truyền thẳng và có khả năng xuyên qua vật chất, qua cơ thể người Sự đâm xuyên này càng dễ khi cường độ tia càng tăng Chính độ xuyên sâu của tia X cao nên người ta dùng để chụp những bộ phần cứng như: răng, xương, không dùng chụp mô,

+ Tính bị hấp thụ: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị giảm xuống do một phần năng lượng bị hấp thụ Đây là cơ sở của các phương pháp chẩn đoán X-Quang và liệu pháp X-Quang

-> nguyên lí chụp X-Quang: chùm tia X sau khi truyền qua vùng thăm khám của cơ thể thì suy giảm do bị hấp thụ bởi các cấu trúc Sự suy giảm này phụ thuộc vào độ dày, mật độ của các cấu trúc mà nó đi qua Cuối cùng, chùm tia tác dụng với bộ phận thu nhận và xử lí ảnh để ra kết quả, bộ phận thu nhận và xử lí ảnh là điểm khác biệt lớn nhất giữa các kỹ thuật máy chụp X-Quang.[1]

- Máy chụp X-Quang: là một thiết bị sử dụng phổ biến trong chẩn đoán hình ảnh, phương pháp tạo ra ảnh là sử dụng tia X (tia Roentgen) để xây dựng và tái tạo lại hình ảnh cấu trúc bên trong cơ thể để cung cấp thông tin có giá trị trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.[1]

- X-Quang kỹ thuật số là sự phát triển hiện đại của X-Quang thường ở thời đại hiện nay X-Quang số cũng là hệ thống thu nhận và xử lý ảnh, điểm hiện đại hơn ở X-Quang thường là dưới dạng kĩ thuật số, hình ảnh X-Quang số rất dễ được xử lí, hiển thị, quản lí thông tin, lưu trữ, in ấn, thậm chí là truyền tải qua mạng nội bộ hoặc internet, bởi hệ thống máy tính, thiết bị phụ trợ, cổng giao tiếp và các phần mềm tiện ích (PACs - Picture Archiving & Communications systems) [2]

* Sự khác nhau của X-Quang thường và X-Quang số: [7]

Đặc Tính X-Quang cổ điển X-Quang kỹ thuật số

Cấu trúc Sử dụng phim để thu ảnh

Phải có quá trình rửa phim

Đảm bảo về phòng rửa phim và phim không bị nhiễm sáng

Sử dụng tấm tạo ảnh phosphor lưu trữ (đối với CR) hoặc bảng cảm ứng (đối với DR)

Hình ảnh được xây dựng trên phần mềm

Đặc điểm Có khoảng phô xạ hẹp nên

hình ảnh dễ bị sáng quá hay tối quá

Gặp hạn chế trong việc lưu trữ và bảo quản

Chỉ hội chuẩn tại chỗ

Khoảng phô xạ rộng, có thể hiệu chỉnh được hình ảnh sau khi chụp

Lưu trữ dễ dàng trên CD, DVD hay truyền thông trên mạng internet

Có khả năng hội chuẩn qua mạng

Thời gian Cần nhiều thời gian cho

công đoạn rửa phim trong phòng tối

Nhanh hơn vì chỉ cần in phim bằng máy in phim khô

An toàn An toàn khi rửa phim, cũng

như chất thải sau khi rửa phim

Hạn chế các chất thải

1.2, Phân loại:

X-Quang số hiện nay có 2 kỹ thuật phổ biến đó là X-quang bán số (computed

radiography) và X-Quang số (direct radiography):

- X-Quang bán số: máy phát tia X-Quang bình thường và phim/bìa tăng quang được thay bằng tấm tạo ảnh (Imaging plate) có tráng lớp Phosphor lưu trữ (storage)

và kích thích phát sáng (photostimulable luminescence) Tấm tạo ảnh khi được tia

X chiếu lên sẽ tạo nên 1 tiền ảnh (latent image), sau đó tấm tạo ảnh này sẽ phát

quang lần 2 khi quét bởi 1 tia laser trong máy Kỹ thuật số hóa (digitizer), ánh sáng này được bắt lấy (capture) và cho ra hình kỹ thuật số tức là có sự chuyển đổi từ hình analog ra digital Hình này sẽ được chuyển qua máy chủ để xử lý Tấm ảnh sẽ

đc xóa bởi nguồn ánh sáng trắng và tái sử dụng.[3]

- X-Quang số (DR): Kỹ thuật náy giống máy chụp ảnh kỹ thuật số,vì cũng dùng nguyên tắc tương tự là bảng cảm ứng và cho hình ngày sau khi chụp Nguyên tắc tạo ảnh là nhờ bảng cảm ứng (sensor panel) cấu tạo do sự kết hợp của lớp nhấp nháy (Scintillator) gồm các lớp cesiumiodide/thallium và tấm phim mỏng transister (TFT) với silicon vô định hình (amorphous silicon) Bảng cảm ứng này thay thế cặp phim/bìa tăng quang cổ điển, sau khi được phổ xạ, sẽ chuyển hình và hiển thị trên màn hình máy sau 5s Và có thể chụp tiếp ngay sau không cần xóa.[3]

1.3, Chức năng máy X-Quang số:

- Máy X-Quang số là thiết bị xây dựng và tái tạo lại hình ảnh cấu trúc, thành phần bên trong của 1 bộ phận hoặc toàn bộ cá thể nào đó để cung cấp thông tin về bộ phận hoặc cá thể đó

- Được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực đặc biệt nhất là lĩnh vực y học trong chẩn đoán và điều trị bệnh

II, Cấu tạo và nguyên lí làm việc của máy X-Quang số:

2.1, Máy X-Quang kĩ thuật số gián tiếp CR (computed radiography)

Computer radiography là công nghệ sử dụng tấm detector photostimulate thay thế cho cassettes truyền thống trong SF Tấm photpho lưu trữ được gắn bên trong

cassettes với kích thước phù hợp cho ảnh chụp tốt nhất và không có sự thay đổi của điện áp, tia X,… Công nghệ CR cho phép hình ảnh có được cũng giống như hình

ảnh trong hệ thống X-Quang SF cũ.[6]

2.1.1, Cấu tạo:

Hình 1: sơ đồ khối máy X-Quang kĩ thuật số gián tiếp CR [5]

- Máy X-Quang kĩ thuật số gián tiếp CR có hệ thống phát tia X hoàn toàn giống

như hệ thống của X-Quang thường Tia X sau khi chiếu qua bệnh nhân sẽ đến một tấm photpho

Hệ thống phát

chùm tia X

Tấm photpho thu nhận ảnh Máy quét ảnh

Hình ảnh Quang

X-Máy in phim khô

Xử lí hình ảnh

Nguồn

- Tấm photpho đóng vai trò như tấm phim trong X-Quang thường Sau khi được chiếu tia, sẽ được đưa đến máy quét ảnh (Image Scanner)

-Máy quét ảnh có chức năng số hóa hình ảnh thu được, và làm cho tấm photpho trở lại trạng thái ban đầu để dùng cho lần thu ảnh sau

- Xử lí hình ảnh: hình ảnh sau khi được số hóa được truyền đến máy tính xử lí ảnh Tại đây ảnh có thể được thay đổi độ sáng, độ tương phản, tạo ảnh chỉ chứa xương, ảnh chỉ chứa mô… tùy theo từng mục đích của bác sĩ

- Sau khi xử lí ảnh được đưa đến phần hiển thị, in phim, được truyền qua mạng hay lưu trữ hồ sơ bệnh nhân…

2.1.2, Nguyên lí hoạt động – quá trình thu nhận ảnh của CR:

a, Phim:

- Cấu tạo [4] :

Hình 2: cấu tạo tấm phim trong máy CR

+ Bên ngoài tấm thu nhận ảnh của CR có dạng như một casette thường

+ Bên trong có 1 tấm photpho trắng gồm 1 lớp chống trầy xước trên cùng, tiếp đến là lớp photpho dày khoảng 10 µm, phía dưới là lớp phản xạ, lớp cuối cùng là lớp nâng đỡ dày khoảng 200 µm

+ Thành phần tấm photpho: 85% BaFBr và 15% BaFI, pha với 1 lượng nhỏ

chuyển động tự do trong môi trường và một phần sẽ tương tác với các

nguyên tử F Các nguyên tử F giữ electron ở mức năng lượng cao hơn ở trạng thái ổn định trong vài ngày đến hàng tuần

+ Số lượng electron bị giữ bởi nguyên tố F trên một đơn vị diện tích sẽ tỉ lệ thuận với cường độ tia X chiếu vào

Hình 3: Cấu tạo tấm thu nhận ảnh

b, Sơ đồ năng lượng thu ảnh CR [4]:

Hình 4: Sơ đồ năng lượng của quá trình thu ảnh CR

 Cách thức: máy đọc sẽ phát ra tia laser có năng lượng khoảng 2eV (ánh sáng laser đỏ) để quét qua tấm photphor Khi đó, các electron đang bị F giữ sẽ kích thích để nhảy lên vùng dẫn Các electron này chỉ ở trên vùng này một thời gian rất ngắn thì nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn Sự chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp của các electron làm phát ra một ánh sáng màu xanh (cơ 3eV) Dựa vào cường độ sáng phát ra, máy quét

sẽ số hóa cho từng điểm sáng Từ đó xác định độ đen trắng cho ảnh X-Quang chụp được

Máy đọc CR hiệu Afga

 Quá trình kích thích và tương tác giữa tia laser với lớp photpho: khi tia laser tới (Incident Laser Beam) xuyên qua lớp chống trầy xước (Protective Layer),

nó sẽ tương tác với lớp photpho (Phosphor Layer) Do hiện tượng tán xạ nên tia laser bị trải rộng trong lớp photpho, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ phân giải của máy đọc CR Độ phân giải không gian (Spatial Resolution) của ảnh càng tốt khi hiện tượng tán xạ càng ít Điều này có thể đạt được bằng cách giảm nhỏ đường kích chùm tia laser tới, nhưng khi đó dĩ nhiên thời gian để đọc hết ảnh cũng tăng lên và dung lượng ảnh cũng lớn hơn Tương tác giữa tia laser và lớp photpho sẽ tạo ra ánh sáng màu xanh Ánh sáng này sẽ theo bảng dẫn sáng (Light Guide) đến đập vào ống nhân quang (PMT) Ống nhân quang PMT (Photomultiplier Tube) sẽ chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện Biên độ tín hiệu điện sẽ tỉ lệ thuận với cường độ tia X bị hấp thụ bởi lớp photpho Với cùng một mức năng lượng của tia laser (2eV), tùy theo mật độ của tia X bị hấp thụ bởi lớp photpho mà cường độ của ánh sáng phát quang (Photostimulated Luminescence) và do đó biên độ của tín hiệu điện sẽ khác nhau giữa các điểm ảnh thu nhận được Sự khác nhau này sẽ là căn cứ cho việc mã hóa độ đen trắng của ảnh và cho sự hiển thị ảnh

Hình 5: Tương tác với tia laser với lớp photpho

 Quá trình hồi phục phim: Sau khi đã mã hóa cho ảnh, máy quét sẽ chiếu một luồng ánh sáng cực sáng vào tấm photphor Khi đó tất cả các electron bị giữ bởi nguyên tử F sẽ trở về trạng thái cơ bản Tấm thu nhận ảnh sẽ trở về trạng thái giống như trước lúc chụp cho bệnh nhân và được dùng cho lần sau

c, Cơ chế tạo ảnh [4]

Hình 6: Quá trình mã hóa ảnh

- Trong hệ thống đọc ảnh này, chiều chuyển động của tấm photpho (Plate Direction) là chiều dọc, chiều quét của tia laser (Scan Direction) là chiều ngang Tia laser phát ra được chiếu qua tấm gương đa giác (Polygonal

Mirror) Tấm gương này quay tròn, làm cho tia laser được quét theo chiều

ngang của tấm photpho Tại mỗi điểm được chiếu, ống nhân quang PMT sẽ nhận được tín hiệu ánh sáng và chuyển nó thành tín hiệu điện Tín hiệu điện

sẽ được khuếch đại, chuyển đổi sang dạng số (ADC)… Cuối cùng ta có được

ba thống số về điểm ảnh là tọa độ (x,y) và cường độ z của tia X hấp thụ tại điểm đó Giá trị của z là cơ sở cho quá trình hiển thị ảnh.[4]

- Xử lí ảnh: Sau khi được số hóa, ảnh được truyền đến máy điện toán chủ xử

lý ảnh (ADC processing server) Máy chủ này có chứa nhiều phàn mềm xử lí ảnh như: Edge enhancement (Tăng cường bờ nét), Dynamic range

enhancement (Nén dải rộng), Multiscale contrast enhancement (Tăng cường tương phản đa mức độ), Noise reduction (Giảm nhiễu),… Các phần mềm này

mà chỉ cần phổ xạ một lần vẫn có thể khảo sát tốt phần mềm, xương hoặc phổi Phương pháp khuếch đại tương phản đa mức độ (Multiscale image contrast amplification) MUSICA có thể làm tăng khả năng phát hiện các đường gãy ẩn, nốt nhỏ dù độ ẩm thấp, không che lấp chi tiết lân cận, không tạo những bờ giả, dùng toàn cơ thể Phương pháp này dựa trên nguyên tắc tách ra làm 12 lớp, và tăng những hình độ đậm thấp, giảm những ảnh quá sáng để trên một hình có thể khảo sát nhiều cấu trúc

- In phim: ảnh sau xử lí có thể được in phim bằng máy in khô để bác sĩ chẩn đoán, hoặc trả phim cho bệnh nhân Máy in khô được sử dụng một lớp hóa chất silver halide, chỉ biến đổi màu khi chịu nhiệt Máy có 1 đầu nhiệt

(thermal head) gồm một phần tử vi nhiệt (microthermal element) phân phối nhiệt đến lớp hóa chất nhạy cảm với nhiệt, để tạo thành hình Đầu nhiệt dài

35 cm, và hoàn toàn tự điều chỉnh để hình có chất lượng cao nhát Máy sử dụng phim không nhạy với ánh sáng, nên có thể lắp vào máy dưới ánh sáng

thường

2.1.3, Ưu- nhược điểm của CR:[4]

- Ưu: + Quá trình tạo ảnh đơn giản, nhanh chóng, không cần phòng tối như

X-Quang cổ điển

+ Sử dụng máy in phim khô, đơn giản và thân thiện với môi trường, không độc hại

+ Ảnh thu được dưới dạng số nên có thể lưu trữ, truyền đi dễ dàng

+ Tấm thu nhận ảnh có thể tái sử dụng nhiều lần (~ 20000 lần)

2.2, Máy X-Quang kĩ thuật số trực tiếp DR (Directly Radiography)

2.2.1, Cấu tạo:

Phòng sáng

Hình 7: sơ đồ khối máy X-Quang kĩ thuật số trực tiếp DR

- Nguồn: nguồn cấp năng lượng cho cả hệ thống

- Tấm photpho thu nhận ảnh: Tấm photpho đóng vai trò như tấm phim trong X-Quang thường Sau khi được chiếu tia, sẽ được đưa đến máy quét ảnh (Image Scanner)

- Hệ thống xử lí ảnh: hệ thống xử lí ảnh chụp từ tấm photpho

2.2.2, Nguyên lí hoạt động – quá trình thu nhận ảnh của DR

Hệ thống cảm biến phẳng DR với cơ chế màn hình tích hợp được đưa vào thị

trường vào cuối những năm 1990 Hệ thống cảm biến phẳng cũng được biết đến là detectors tia X diện rộng, tích hợp lớp X-Quang nhạy và hệ thống điện tử dễ đọc dựa trên các mảng TFT Detectors sử dụng 1 lớp chất nhấp nháy và 1 bán dẫn TFT nhạy với ánh sáng gọi là detectors TFT chuyển đổi gián tiếp Hệ thống sử dụng 1 lớp chất quang dẫn X-Quang nhạy và 1 bộ góp điện tích TFT được gọi là detectors TFT chuyển đổi trực tiếp Chất silicon vô định hình (a-Si) được sử dụng trong các mảng TFT để ghi lại tín hiệu điện tử, không nên bị nhầm lẫn với a-Se, vật liệu được

sử dụng để thu năng lượng tia X trong detector số hóa trực tiếp

Hệ thống điện tử dễ đọc có thể chấp nhận xử lí hiển thị phóng xạ, được gọi là ma trận hiển thị phóng xạ, đối lập với hệ thống lưu trữ photpho, nơi các bộ phận hiển thị phóng xạ được tích hợp mà không cần detector Toàn bộ quá trình xử lí hiển thị

là rất nhanh, cho phép phát triển xa hơn trong kĩ thuật số với detectors tia X thời gian thực.[6]

a, Cấu tạo cảm biến phẳng:[6] (FPD – Flat Panel Detector)

Bệnh nhân

Nguồn

Tấm photpho thu nhận ảnh

Hệ thống xử lí ảnh (PC)

Hình ảnh Quang