THIẾT KẾ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỖ TRỢ HỌC TẬP VÀ GIẢNG DẠY MÔN CNCĐHA

Thiết bị chẩn đoán hình ảnh trong y học là một trong những lĩnh vực then chốt của ngành kỹ thuật điện tử y sinh; bao gồm những thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt về vật lý ứng dụng, y sinh học hiện đại và công nghệ thông tin.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỖ TRỢ HỌC TẬP VÀ GIẢNG DẠY MÔN CNCĐHA Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUANG AN ĐẶNG QUỐC KHÁNH LÊ XUÂN MINH Lớp ĐTYS - K49 Giảng viên hướng dẫn: NCS.ThS. NGUYỄN THÁI HÀ Ks. VŨ TRƯỜNG MINH Cán bộ phản biện: Hà Nội, 6-2009 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA LỜI NÓI ĐẦU Chuyên ngành KT Điện tử Y Sinh còn khá mới mẻ, việc học tập và giảng dạy chủ yếu dựa vào tài liệu sách vở vì thế còn gặp nhiều khó khăn, không mang lại hiệu quả cao. Cùng sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin, việc ứng dụng các bài học và giáo án điện tử vào đào tạo với các mô phỏng sinh động, thực tế sẽ mang tới sự đam mê tìm hiểu và yêu thích môn học. Phần mềm mô phỏng được thiết kế và hoàn thành bằng chương trình biên tập Macromedia Flash Professional 8. Các movie clip mô phỏng được thực hiện bằng điều khiển timeline, bằng lập trình AS2 (ActionScript); sử dụng các Component (như Button, Tree, Window, Quizz) có sẵn, các hàm và đối tượng XML trong Flash. Chương trình mô phỏng đã đạt được các mục đích cơ bản, đó là: thực hiện mô phỏng cấu tạo, nguyên lý hoạt động các máy X quang chẩn đoán tiêu biểu: máy X quang thường quy, X quang tăng sáng truyền hình, X quang chụp răng, chụp hộp sọ, máy X quang chụp vú; nguyên lý hoạt động của bóng X quang và mô phỏng quá trình chỉnh lưu. Thực hiện tạo một cơ sở dữ liệu hình ảnh (thư viện ảnh) về các bộ phận cũng như các máy X quang hiện đang được sử dụng. Thiết lập hỗ trợ vui học cho người sử dụng bằng các câu hỏi trắc nghiệm kiến thức. Chương trình nhỏ gọn được đóng gói dưới 1 file chạy .exe kèm theo các data; có thể dễ dàng sử dụng hoặc chia sẻ qua Internet. Với ưu điểm nhỏ gọn, hướng phát triển tiếp theo của đề tài này sẽ là xây dựng những ứng dụng liên quan đến Web. Trên nền tảng có sẵn của chương trình, có thể hoàn thiện thêm cho giáo án các môn học khác trong nhiều chuyên ngành hỗ trợ học tập và giảng dạy. Do vậy, khả năng ứng dụng và phát triển của đề tài là rất tốt và phù hợp. Nhóm Flash – ĐTYS – K49 2 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thái Hà, trưởng bộ môn CNĐT & KTĐT Y Sinh và thầy Vũ Trường Minh đã tận tình hướng dẫn và cho nhóm chúng em nhiều ý kiến quí báu trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Chúng em cũng chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn CNĐT và KTĐT Y Sinh, khoa Điện tử viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án. Nhóm Flash – ĐTYS – K49 3 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN QUANG TUYẾN 1.1 Giới thiệu chung Thiết bị chẩn đoán hình ảnh trong y học là một trong những lĩnh vực then chốt của ngành kỹ thuật điện tử y sinh; bao gồm những thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt về vật lý ứng dụng, y sinh học hiện đại và công nghệ thông tin. Những thiết bị chẩn đoán hình ảnh ngày nay đã trở nên phổ biến, từ những máy siêu âm đơn giản có mặt ở những phòng khám đến những thiết bị CT, MRI hiện đại ở những bệnh viện lớn. Tất cả đều có một đặc điểm chung, đó là những thiết bị phức tạp, hiện đại và là sự phức hợp của nhiều lĩnh vực cho nên người sử dụng muốn hiểu rõ về nó, cũng không phải dễ dàng có thể tiếp thu và làm chủ được nó. Công nghệ chẩn đoán hình ảnh (CNCĐHA) là công nghệ chế tạo các thiết bị hoặc hệ thống thiết bị để tạo ra hình ảnh của các cơ quan và bộ phận của cơ thể con người nhằm phục vụ cho công việc chẩn đoán bệnh trong y tế. Chẩn đoán hình ảnh trong y tế thường sử dụng các kỹ thuật sau đây: - Chẩn đoán quang tuyến: sử dụng máy X quang chẩn đoán (X ray machine) - Chẩn đoán quang tuyến cắt lớp điện toán CT (Computed Tomography Scanner) - Chẩn đoán siêu âm: sử dụng máy siêu âm chẩn đoán (Ultrasound Diagnostic Scanner) - Chẩn đoán cộng hưởng từ: sử dụng máy cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging System-MRI) 1.2 Nguyên lý chẩn đoán quang tuyến Công nghệ chẩn đoán quang tuyến là công nghệ tạo ảnh nhờ ứng dụng tia X. Chùm tia X khi di xuyên qua một đối tượng hay vật thể (ví dụ là cơ thể người bệnh) sẽ bị suy giảm. Sự suy giảm này không đồng đều mà khác nhau, phụ thuộc vào khả năng hấp thụ tia X của vật chất và được đánh giá bằng công thức Lamber-Beer: Nhóm Flash – ĐTYS – K49 4 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA I =I o e- μρs (1.1) Hình 1.1 - Minh hoạ của nguyên lý chẩn đoán quang tuyến. Trong đó I: Năng lượng chùm tia tới . I 0 : Năng lượng chùm tia sau khi đi qua đối tượng hay vật thể . s: Bề dày của đối tượng . ρ: Mật độ vật chất trung bình của đối tượng . µ: Hệ số suy giảm khối lượng, hệ số này thể hiện cấu trúc vật chất của các đối tượng và phụ thuộc vào năng lượng bức xạ. Chùm tia X sau khi đi qua đối tượng, sẽ tác động vào một vật hiện hình (có thề là phim, màn huỳnh quang, bóng tăng sáng …), từ đó tạo ra hình ảnh tổng thể của toàn bộ thể tích được tia X chiếu qua. 1.3 Tia X và những đặc trưng của chúng Tia X được dùng để chụp ảnh các cơ quan của cơ thể, xương và vật thể lạ có bên trong cơ thể. Các bác sĩ sử dụng tia X để quan sát bên trong cơ thể mà không cần phải thực hiện giải phẫu. Tia X được W.C. Roentgen khám phá ra vào năm 1895, 1 năm sau được ứng dụng vào chụp ảnh và cho đến nay nó đã có những đóng góp to lớn trong y học cũng như khoa học kỹ thuật, như để kiểm tra vật liệu, xác định cấu trúc tinh thể. Nhờ vào phát hiện này, Roentgen đã nhận được giải Nobel vật lý vào năm 1901 với hình ảnh bàn tay được chụp với tia X. (Hình 1 .) Nhóm Flash – ĐTYS – K49 5 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA Hình 1.2 - Bàn tay chụp với tia X - Giải Nobel vật lý 1901 1.3.1 Nguyên lý Tia X được sinh ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng qua nhiều bước: từ điện năng sang động năng rồi cuối cùng là nhiệt năng và bức xạ tia X Nguyên lý tạo tia X: Catốt được nung nóng tới 2000 o C để phát ra điện tử. Nhờ một điện trường rất mạnh tạo ra dưới tác dụng của điện áp cao thế giữa anốt và catốt bóng X quang (cỡ 30 - 150kVp), các điện tử này được gia tốc về phía anốt với động năng rất lớn, tới đập vào anốt làm phát ra tia X (chỉ chiếm 1%) và nhiệt năng (chiếm tới 99%). Hình 1.3 - Nguyên lý tạo tia X Nhóm Flash – ĐTYS – K49 6 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA Mối quan hệ giữa vận tốc và động năng của điện tử theo công thức sau: 2 1 2 e e W m v = Trong đó: W: động năng điện tử m e : khối lượng của điện tử ( = 9,1.10-31 kg) v e : vận tốc của điện tử 1.3.2 Đặc trưng cơ bản - Tia X không nhìn thấy bằng mắt thường - Tia X có thể đâm xuyên qua hầu hết mọi vật chất nhờ có năng lượng rất cao và bước sóng cực ngắn. - Khi xuyên qua vật chất, tia X bị hấp thụ. Sự hấp thụ khác nhau với các loại vật chất khác nhau. Với cơ thể người, cường độ chùm tia X bị suy giảm khi xuyên qua cơ thể; sự suy giảm này không đồng đều mà phụ thuộc vào độ hấp thụ của các tổ chức trên đường đi của tia X; do vậy, chùm tia khi ra sẽ mang thông tin về các tổ chức cơ thể. Nhờ tính chất này mà tia X được dùng để tạo ảnh đối tượng cần thăm khám. - Ngoài tác dụng tạo ảnh quang tuyến, tia X có hại cho sức khỏe. Nếu liều lượng tia vượt quá mức độ cho phép, tia X có thể phá hủy tế bào cơ thể và gây ra một số bệnh. Do đó phải hạn chế tới mức tối thiểu tác hại bằng cách sử dụng các phương tiện bảo vệ, che chắn. - Tia X mềm là những tia nằm trong vùng có bước sóng dài, có năng lượng và khả năng đâm xuyên thấp, không có tác dụng tạo ảnh mà chỉ làm tăng liều tia vô ích trên cơ thể người bệnh. Ngược lại gọi là tia X cứng. Nhóm Flash – ĐTYS – K49 7 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA 1.4 Ảnh X quang 1.4.1 Đặc điểm ảnh X quang Ảnh X quang là ảnh được tạo ra nhờ ứng dụng tia X. Ảnh X quang là ảnh xếp chồng, nó là kết quả xếp chồng lên nhau của hình ảnh của những đối tượng nằm trên đường đi của tia X. Vì vậy ảnh X quang có những đặc trưng sau: - Ảnh X quang có chiều sâu, nghĩa là ta có thể hình dung ra hình ảnh của các đối tượng nằm trên các mặt phẳng khác nhau. - Do chùm tia X được phát ra theo dạng hình nón nên những bộ phận nào nằm gần nguồn phát tia thì sẽ được phóng đại lớn hơn so với các bộ phận nằm xa hơn, do đó ảnh X quang sẽ bị biến dạng. Mặt khác, vì phim hoặc màn huỳnh quang nằm xa nguồn hơn so với đối tượng nên ảnh thu được sẽ có kích thước lớn hơn thật. - Ảnh X quang bị biến dạng theo hướng phát xạ, khi trục của đối tượng nằm vuông góc với trục của chùm tia thì ảnh thu được ít bị biến dạng nhất. - Khi chiếu, ảnh X quang di chuyển ngược so với chiều di chuyển của tiêu điểm phát xạ, ngược với chiều di chuyển của bóng. Hình 1.4 - Mô phỏng chụp X quang 1.4.2 Chất lượng của ảnh X quang Ảnh X quang mà ta thu được là ảnh đen trắng, nó là một tập hợp của vô số điểm ảnh. Chất lượng của ảnh X quang phụ thuộc vào những yếu tố chính sau đây: - Độ tương phản màu sắc (hay còn gọi là độ đối quang). Nhóm Flash – ĐTYS – K49 8 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA - Độ phân giải. - Độ sắc nét.  Độ tương phản màu sắc (độ đối quang) Trong quá trình tạo ảnh X quang, lượng thông tin dùng để chẩn đoán chính là độ đối quang của hình ảnh của các bộ phận trên phim thu được. Để tạo ảnh X quang có chất lượng cao có nghĩa là độ tương phản thích hợp nhất với từng đối tượng khác nhau thì ta cần phải thay đổi năng lượng của chùm tia X bằng cách thay đổi các thông số kVp, mA, s sao cho phù hợp. Độ đối quang của ảnh X quang là sự thể hiện trên màn hình của sự suy giảm năng lượng của chùm tia X khi đi xuyên qua các bộ phận khác nhau của đối tượng. Sự suy giảm này có được là do khả năng hấp thụ tia X của vật chất, nó được đánh giá bởi công thức Lamber – Beer như đã đề cập đến ở trên. Độ đối quang của ảnh X quang chỉ có được khi chùm tia X đi qua những đối tượng liền kề có những trị số S, ρ, µ khác nhau. Trong thực tế, khi chụp ảnh X quang của những bộ phận là mô mềm như não, dạ dày, thận, mạch máu …để tăng cường độ đối quang, người ta sử dụng chất cản quang để thay đổi độ đối quang một cách thích hợp. Có 2 loại chất cản quang, đó là: - Chất cản quang dương tính: làm tăng độ hấp thụ tia X của đối tượng. (Ví dụ BaSO4) - Chất cản quang âm tính: làm giảm độ hấp thụ tia X của đối tượng. (Ví dụ CO2)  Độ phân giải Độ phân giải là một chỉ tiêu định lượng đánh giá chất lượng ảnh, nó là số cặp vạch đen, trắng có cùng độ rộng trên 1mm ảnh. Số lượng cặp vạch đen - trắng càng nhiều thì ảnh càng rõ nét, khả năng phân biệt các chi tiết trên ảnh càng cao. Độ phân giải của ảnh phụ thuộc chủ yếu vào các cấu kiện và các thiết bị ghi ảnh như: phim, bìa tăng quang, màn huỳnh quang …  Độ sắc nét Nhóm Flash – ĐTYS – K49 9 / 100 Thiết kế phần mềm mô phỏng hỗ trợ học tập và giảng dạy môn CNCĐHA Độ sắc nét là một chỉ tiêu trong tạo ảnh X quang. Độ sắc nét liên quan tới đường biên của chi tiết trong ảnh. Một ảnh được coi là sắc nét khi có thể phân biệt rõ đường biên giữa các bộ phận khác nhau nằm trong vùng thăm khám. Độ sắc nét phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: - Hình học: Ảnh càng gần với vật thật thì khoảng cách giữa tiêu điểm của bóng X quang và màn hình càng lớn. Mặt khác, tia càng tập trung nghĩa là chùm tia được phát ra từ một tiêu điểm nhỏ thì ảnh cũng sẽ sắc nét hơn trường hợp tiêu điểm ảnh lớn, muốn vậy thì công suất phát xạ phải lớn và bóng phải có khả năng chịu nhiệt cao. - Chất liệu của màn hình: cụ thể là chất lượng của màn huỳnh quang, tấm bìa tăng quang và phim. - Trạng thái của đối tượng chụp: Nếu đối tượng cố định trong khi chụp thì ảnh thu được sẽ nét. Ngược lại khi đối tượng chuyển động trong khi chụp thì ảnh thu được sẽ bị nhoè. 1.4.3 Các thông số chủ yếu quyết định chất lượng ảnh X quang. Những thông số chủ yếu quyết định chất lượng ảnh X quang là: - Điện áp cao thế kVp. - Dòng cao thế mA. - Thời gian phát tia s. - Khoảng cách từ nguồn phát tia tới ảnh SID (Source Image Distance). Chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các thông số trên trong các trường hợp sau đây: - Khi tia X có năng lượng thấp: khả năng thâm nhập sẽ thấp nên sẽ tăng liều tích lũy trên đối tượng. Do đó, để có mật độ tia X đủ lớn để tạo ảnh thì phải tăng lượng phôtôn X (tăng mAs). Khi đó thì độ tương phản của ảnh thu được sẽ tăng. - Khi tia X có năng lượng cao: khả năng thâm nhập cao nên sẽ giảm liều tích luỹ trên đối tượng. Ngoài ra, chúng ta có thể giảm mAs vì nhiểu phôtôn X thâm nhập tới được phim, nhưng độ tương phản của ảnh thu được bị giảm. Nhóm Flash – ĐTYS – K49 10 / 100