Tìm hiểu sơ lược về máy CT scanner

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ************ BÁO CÁO HỆ THỐNG THÔNG TIN Y TẾ Đề tài: Tìm hiểu sơ lược máy CT scanner Giảng viên hướng dẫn: ThS.Hoàng Quang Huy Sinh viên thực hiện: Nhóm 13 Trương Văn Gia Đặng Thị Hằng Phạm Đình Hồng Hồng Nam Phong Hà Nội, 3/2013 20090844 20091009 20091173 20092004 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU I Lịch sử, trình phát triển I.1 Lịch sử hình thành I.2 Quá trình phát triển I.2.1 Các hệ máy CT từ 1970 đến I.2.2 Cải tiến công nghệ, phương pháp chụp II Ưu điểm chụp CT 11 III Cấu tạo 12 III.1 Sơ đồ khối 12 III.2 Chi tiết khối 13 III.2.1 Khối chụp ảnh 13 III.2.2 Khối máy tính 14 III.2.3 Hiển thị, lưu trữ ghi ảnh 14 III.2.4 Khối thu nhận liệu(DAS) 14 III.2.5 Gantry 15 IV Nguyên lý tái tạo ảnh 17 V Ứng dụng 22 LỜI CẢM ƠN 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Bản phác thảo Sir Godfrey Hounsfield máy CT Hình Máy CT Hình Máy CT tồn thân phát triển .6 Hình Máy CT hệ I .7 Hình Máy CT hệ II .7 Hình Máy CT hệ III Hình Máy CT hệ IV Hình Kỹ thuật chụp CT thơng thường Hình Kỹ thuật chụp CT xoắn ốc .9 Hình 10 CT đa detector .9 Hình 11 CT chùm electron 10 Hình Nguyên lý chụp X quang CT 11 Hình Sơ đồ khối máy chụp cắt lớp CT 12 Hình Hình ảnh máy chụp cắt lớp CT thực tế 12 Hình 3 Khối chụp ảnh 13 Hình Cấu tạo bóng X quang máy chụp cắt lớp CT .14 Hình Công nghệ thu nhận liệu 15 Hình Các thiết bị bên gantry 15 Hình Cơ sở tái tạo ảnh CT 17 Hình Ý tưởng tái tạo ảnh máy chụp cắt lớp CT 18 Hình Tái tạo ảnh theo thuật toán số học ART 19 Hình 4 Tái tạo ảnh phương pháp chiếu lại đơn giản – Hình ảnh kèm nhiễu hình 20 Hình Một dạng phổ biến hàm số lọc 21 Hình Ứng dụng chụp thận .22 Hình Ứng dụng chụp phổi .23 Hình Ứng dụng chụp mạch máu 3D .23 Hình Ứng dụng dựng ảnh 3D 24 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner LỜI NĨI ĐẦU Cùng với phát triển khơng ngừng công nghệ hộ trợ khám, chữa bệnh, lĩnh vực chẩn đốn hình ảnh liên tục cải tiến nhằm đáp ứng nhu cầu chẩn đoán y học đại Trong dòng máy phục vụ chẩn đốn hình ảnh, máy CT scanner đóng vai trò quan trọng phủ nhận Máy CT cân giá thành chất lượng hình ảnh Nó tạo hình ảnh cắt lớp, 3D sắc nét vượt trội nhiều so với phương pháp X quang thơng thường, so sánh với kỹ thuật chụp cộng hưởng từ lại có giá thành rẻ nhiều Hơn 40 năm phát triển, máy CT loại máy phổ biến thị trường Chính lý đó, nhóm em định chọn đề tài tìm hiểu máy CT scanner cho đề tài kỳ Trong khn khổ mơn học, báo cáo nhóm hy vọng mang đến cho người đọc khái niệm, hiểu biết cấu tạo, nguyên lý hoạt động máy chụp cắt lớp - CT scanner Nhóm sinh viên Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner I Lịch sử, trình phát triển I.1 Lịch sử hình thành Tối ngày tháng 11 năm 1895, sau rời phòng thí nghiệm qng, sực nhớ quên chưa ngắt cầu dao điện cao dẫn vào ống tia catod, Wilhelm Conrad Rưntgen quay lại phòng nhận thấy vệt sáng màu xanh lục bàn phòng tối om Với đầu óc nhạy bén, đầy kinh nghiệm nhà vật lý học, việc lôi ông 49 ngày sau ông liên tục lỳ phòng thí nghiệm, cơm nước bà vợ tiếp tế, ngày ông ngừng cơng việc nghiên cứu phút để ăn uống, vệ sinh chợp mắt nghỉ ngơi vài Nhờ thế, ơng tìm tính chất thứ tia bí mật mà ông tạm đặt tên tia X mang lại cho ông giải Nobel vật lý vào năm 1901 Năm 1970, Nhận thấy hạn chế phương pháp chụp X quang thông thường kỹ thuật chụp tomography, kết hợp với hiểu biết tia X nghiên cứu trước đó, Sir Godfrey Hounsfield Cormack độc lập nghiên cứu tìm kỹ thuật chụp máy CT Ứng dụng máy CT chụp não Nhờ phát minh này, họ chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1979 Hình 1 Bản phác thảo Sir Godfrey Hounsfield máy CT Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Máy CT Năm 1974, DR ROBERT LEDLEY phát triển máy CT tồn thân giới Hình Máy CT toàn thân phát triển Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner I.2 Quá trình phát triển I.2.1 Các hệ máy CT từ 1970 đến Từ tìm ra, Máy CT trải qua nhiều cải tiến, phát triển với hệ máy CT CT hệ 1: chùm tia song song; nguồn, detector tịnh tiến quay Hình Máy CT hệ I CT hệ 2: chùm tia rẻ quạt; mảng detector tuyến tính; nguồn, detector tịnh tiến quay CT hệ 3: chùm tia rẻ quạt; cung detector; nguồn, detector quay Hình Máy CT hệ II Hình Máy CT hệ III Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner CT hệ 4: chùm tia rẻ quạt; vòng detector; nguồn quay Hình Máy CT hệ IV I.2.2 Cải tiến công nghệ, phương pháp chụp CT thơng thường( hệ I, II) Hình Kỹ thuật chụp CT thông thường - Ống phát tia X quay quanh trục (0,5 độ) - Chùm tia X chuẩn trực thành có hình rẻ quạt phẳng Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner - Các phép chiếu coi đồng phẳng lát cắt Độ dày lát cắt phụ thuộc vào việc chuẩn trực chùm tia CT xoắn ốc( hệ III, IV) Hình Kỹ thuật chụp CT xoắn ốc - Nguồn, detector quay liên tục; bàn bệnh nhân dịch chuyển liên tục phép chiếu thực dọc theo đường xoắn ốc - Quét thể tích lớn thời gian ngắn - Phức tạp việc tái tạo ảnh - Được sử dụng để tạo ảnh thể tích 3-D cấu trúc thể CT đa detector( hệ II, III, IV) Hình 10 CT đa detector - Sử dụng mảng đa detector nhận đồng thời nhiều phép chiếu liền kề tốc độ quét tăng - Độ phân giải không gian đẳng hướng, cao so với kỹ thuật CT có CT chùm electron Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 11 CT chùm electron - Anode cong 180 độ với nhiều miếng Vonfram - Chùm tia electron hội tụ quét nhanh qua miếng Vonfram làm phát tia X - Độ phân giải thời gian lớn tạo ảnh chuyển động sinh lý thể nhịp đập tim, luân chuyển dòng máu 10 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner III Cấu tạo III.1 Sơ đồ khối Hình Sơ đồ khối máy chụp cắt lớp CT Hình Hình ảnh máy chụp cắt lớp CT thực tế Từ đời tới nay, trải qua nhiều thay đổi, cải tiến, nhiên máy cắt lớp CT chia làm bốn thành phần là: - Khối chụp ảnh - Khối máy tính - Khối hiển thị, lưu trữ, ghi liệu - Khối thu nhận liệu 12 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner III.2 Chi tiết khối III.2.1 Khối chụp ảnh Hình 3 Khối chụp ảnh Nhiệm vụ khối là: - Tạo tia X - Định dạng chùm tia X - Lọc chùm tia X loại bỏ tia X mềm Có cấu tạo bao gồm bóng phát tia X quang hay nhiều detector tùy thuộc vào hệ máy hệ I có detetor, hệ II, III có nhiều detetor đặc biệt số lượng detetor hệ thứ IV lên tới 4800 detector phân bố vòng tròn cố định Bóng X quang Máy CT khơng khác nhiều so với bóng X-quang máy X quang thông thường Hoạt động điện áp hai cực anode va catode cỡ 80-150 KV Có catốt làm tungsten pha trộn Mo Bóng bọc lớp chì để đảm bảo an tồn có lọc mọt collimater trước ngõ chùm tia X để loại bỏ tia X mềm định dạng chùm tia X 13 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Cấu tạo bóng X quang máy chụp cắt lớp CT III.2.2 Khối máy tính Thành phần minicomputer có cấu hình tương đối cao cỡ GHz nhằm mục đích: - Tái tạo xử lý ảnh - Điều khiển toàn thiết bị Scan - Điều khiển trình thu nhận liệu, xử lý hiển thị - Định hướng dòng liệu III.2.3 Hiển thị, lưu trữ ghi ảnh Nhiệm vụ vủa khối là: - Hiển thị ảnh - In ảnh - Lưu trữ để truy xuất lần sau - Hỗ trợ gửi liệu ảnh tới máy mạng III.2.4 Khối thu nhận liệu(DAS) Đây khối đóng vai trò quan trọng máy CT Nó cầu nối trung gian detector hệ thống máy tính trung tâm Khối thu nhận tín hiệu trung thực, chi tiết tạo tiền đề cho q trình xử lý hệ thống máy tính đem lại kết rõ ràng xác hỗ trợ cho cơng việc chẩn đốn 14 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Cơng nghệ thu nhận liệu III.2.5 Gantry Hình Các thiết bị bên gantry Là phận “ đồ sộ nhất” máy CT scanner chứa đựng phận quan trọng máy CT như: - CT X-ray tube - High voltage generator: Trong hệ máy CT cũ, phận tách riêng khỏi máy đặt High voltage tank sau tiếp điện cao áp đến máy qua dây cáp Điều gây trở ngại cho chuyển động quay bóng tương đối nguy hiểm Khi cơng nghệ chế tạo phát triển, khối trở nên nhỏ 15 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner gọn tích hợp gantry để quay với bóng X quang hệ máy thứ III IV - Detector array: Cũng khối High voltage generator, khối có nhiều thay đổi theo thời gian Ban đầu, Máy CT có detector chuyển động song song quay bóng X quang Tới hệ thứ II III, số lượng detector tăng lên cách thức chuyển động cải tiên Ở hệ IV, số lượng detetor 4800 detetor! Và chúng bố trí cố định vòng dạng nhẫn gantry - Data acquistion system - Slip ring: thiết bị để đưa điện áp cấp từ nguồn tới bóng X quang Khi khối High voltage generator tích hợp vào gantry, vòng slip ring trở nên an toàn trước nhiều phải chuyển tiếp điện áp 220V hay 380V thay điện áp cỡ kV trước 16 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner IV Nguyên lý tái tạo ảnh Máy chụp cắt lớp CT tái tạo ảnh dựa “hình chiếu” mà detector thu Các detector có nhiệm vụ thực chất đo mức độ suy hao tia X sau qua thể bệnh nhân Tại góc chụp, tia X theo đường khác qua thể bệnh nhân bị suy hao khác Các detector vị trí khác thu nhận suy giảm khác tia X Sau qua hệ thống thu nhận liệu khác chuyển hệ thống máy tính để thơng qua thuật tốn cụ thể tái tạo lại ảnh lắt cắt với mức độ xám khác cho điểm ảnh tính tốn vị trí điểm ảnh cách xác Trước tái tạo, phép chiếu trộn với hàm lọc sau bước tiền xử lý trước xếp chồng trở lại ma trận Hình Cơ sở tái tạo ảnh CT Ý tưởng để giải toán tái tạo ảnh máy CT xuất phát từ khác mức độ suy hao tia X qua thể đường khác mà detector phát Giả sử góc độ, vị trí detector cho “ hàm” hay “phương trình” biểu diễn mức độ suy hao tia X cách tổng hợp giải hệ “ phương trình” ta thu giá trị mức xám vị trí tương ứng điểm ảnh Số “ phương trình” mà detector thu hay nói cách khác số góc quay khác mà máy chụp cắt lớp CT thực chụp ảnh định độ phân giải ảnh Điều giải thích hệ máy CT (có detector bóng X quang quay khoảng 0.5 đến độ lần chụp), ta thu ảnh 64x64 với loại máy hệ IV( có tới 4800 detector) ta thu ảnh với độ phân giải 512x512 17 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Ý tưởng tái tạo ảnh máy chụp cắt lớp CT Các thuật toán Thuật toán số học (ART) Đây phương pháp tái tạo xưa Với phương pháp này, đối tượng ảnh xem bao gồm nhiều đối tượng hình vng Một số hữu hạn ảnh điểm tương ứng với số lượng gần liệu đo Nguyên lý: Trong chu kỳ lặp lại, liệu ảnh tái tạo gần đem so sánh với liệu thực theo phương chiếu số phần tử nằm phương chiếu Sự chênh lệch – hiệu số cua hai tập liệu chiếu ngược lại vào ma trận ảnh để tạo ảnh gần Khi toàn tập liệu từ hướng chiếu sử dụng, chu kỳ lặp lại hoàn tất chu kỳ tính tốn lặp bắt đầu sử dụng kết chu kỳ lặp trước Ví dụ: tạo ảnh một” đối tượng” bao gồm điểm ảnh – ma trận (a) với độ suy giảm tương ứng 2,9,4, 4, 9, , 1, 5, Sau lần quét ngang, dọc chéo ta thu tập liệu tương ứng | 15, 15, 6| |1, 9, 11, 11, 4| |7, 23, 6| |2, 13, 14, 7, 0| Dựa nguyên tắc này, tập liệu chiếu nganh hình 21, số lượng phần tử theo hướng chiếu cho phép chiếu nên số đo tập liệu chia chiếu lại vào ma trận rỗng gồm phần tử, kết có ma trận ảnh (b) 18 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Tái tạo ảnh theo thuật toán số học ART Sau tập liệu ngang tập liệu chéo phải, ta chiếu chéo phải ma trận ảnh (b) nhận liệu gồm phần từ | 2, 7, 12, 10, 5| Lấy hiệu tập liệu chéo phải gốc với tập liệu ta tập liệu chéo phải | -1, 2, -1, 1, -1|, chia giá trị tập liệu cho số phần tử nằm đường chéo phải cộng với phần tử nằm đường chéo ma trận (b) ma trận (c) Bây sử dụng tập liệu số đo theo chiều dọc, lấy hiệu hai tập liệu gốc tập liệu từ ma trận (a) tập liệu | -4.7, 9.8, -5.2|, chia giá trị tập giữ liệu cho cộng với phần tử nằm đường chiếu dọc tương ứng ma trận (a) ta ma trận (d) Tiếp đến sử dụng tập liệu chéo trái theo phương pháp tương tự có kết qua chu kỳ tính lặp lần ma trận (e) 19 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner Một số giá trị ma trân (e) chưa thỏa mãn độ xác phải thực số chu kỳ lặp tiếp theo, xuất phát từ liệu ma trận kết chu kỳ lặp trước kết sau chu kỳ lặp đạt ma trận (g) xem thỏa mãn Sai số nhỏ so với tập liệu gốc, phản ánh trung thực hình ảnh đối tượng Phương pháp tái tạo ảnh tích phân Phương pháp dựa sở việc chiếu lại liệu thu từ phép chiếu vào ma trận để tái tạo ảnh Tuy nhiên đơn giản đặt chồng liệu riêng rẽ vào ma trận ảnh hình ảnh tạo đem theo nhiễu dạng bóng mờ Để khử bóng mờ này, liệu phép chiếu xử lý hàm lọc số theo phương pháp đặc biệt gọi thuật toán cuộn trước xếp chồng trở lại vào ma trận Hình 4 Tái tạo ảnh phương pháp chiếu lại đơn giản – Hình ảnh kèm nhiễu hình Nguyên lý: Hàm số lọc thực chất phần mềm có chức lọc, thiết kế phù hợp vớ loại đối tượng xương, sọ não, ổ bụng… Hiện nay, hầu hết máy CT ứng dụng loại hàm số lọc có dạng đường dốc có chứa thành phần dương âm Các đỉnh đường biểu diễn hàm số theo vị trí khơng gian chọn trùng với vị trí phép chiếu cận kề Bởi vậy, liệu xử lý hàm số lọc mang thành phần âm dương bù trừ thành phần tín hiệu gây nhiễu Nếu hàm lọc chọn lựa thích đáng tái tạo ảnh khơng bị nhiễu 20 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Một dạng phổ biến hàm số lọc Phương pháp convolution thực sau: - Đặt đỉnh đường biểu diễn hàm số lọc vào liệu thô ảnh điểm cần tái tạo - Tính tích giá trị điểm lọc với điểm tương ứng tập liệu nhô - Cộng tích tính đặt vào vị trí tương ứng ma trận ảnh tái tạo - Tuần tự dịch chuyển lọc sang liệu thô thuộc ảnh điểm lân cận hết tập liệu thơ lặp lại bước Ví dụ minh hoạ cho phương pháp hình vẽ, đo hàm số lọc có giá trị đơn giản là: 0, -1, 3, -1, Xử lí liệu có giá trị hình vẽ, ta đặt đỉnh hàm số lọc (có giá trị 3) vào vi trí này, sau tính tích giá trị đỉnh lọcvới giá trị tương ứng tập liệu thơ cộng tích lại ta có: 7*(-1)+8*3+1*(1) = 16 Bằng cách tương tự ta có tệp liệu xử lí dùng để tái tạo ảnh, tệp liệu có thành phần âm như: -1, -13, -2 21 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner V Ứng dụng Được ứng dụng rộng rãi chẩn đốn hình ảnh sinh tiết - Chẩn đốn mơ như: sọ não, cột sống, xương… CT cho hình ảnh mơ cứng rõ phương pháp chẩn đoán ảnh - Phát hiện, chẩn đoán sớm ung thư - Các bệnh tim mạch, tắc nghẽn mạch máu, hay nha khoa, nhãn khoa - Trợ giúp sinh thiết: sinh thiết tuyến tiền liệt, sinh thiết ung thư vú, sinh thiết cổ tử cung Trong chuyên khoa: Hình Ứng dụng chụp thận 22 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Ứng dụng chụp phổi Hình Ứng dụng chụp mạch máu 3D 23 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner Hình Ứng dụng dựng ảnh 3D 24 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner LỜI CẢM ƠN Bắt đầu tìm hiểu thiết bị có q trình phát triển khơng lâu, chưa đựng hàm lượng cơng nghệ lớn, bên cạnh khả hạn chế ngoại ngữ khiến nhóm gặp nhiều khó khăn q trình tìm hiểu máy CT Nhóm em xin chân thành cảm ơn Thầy Hồng Quang Huy giúp đỡ nhóm hồn thiện đề tài, nhờ có giải đáp cụ thể, kịp thời thầy mà nhóm bước giải khó khăn phát sinh trình tìm hiểu đề tài! Nhóm sinh viên 25 Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner TÀI LIỆU THAM KHẢO www.google.com http://vi.wikipedia.org Giáo trình “ Cơng Nghệ chẩn đốn hình ảnh I” – Đồn Nhật Ánh 26 ... Hounsfield máy CT Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình Máy CT Năm 1974, DR ROBERT LEDLEY phát triển máy CT toàn thân giới Hình Máy CT tồn thân phát triển Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner. .. detector tuyến tính; nguồn, detector tịnh tiến quay CT hệ 3: chùm tia rẻ quạt; cung detector; nguồn, detector quay Hình Máy CT hệ II Hình Máy CT hệ III Sơ lược máy cắt lớp điện toán CT scanner. .. 26 Sơ lược máy cắt lớp điện tốn CT scanner DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Bản phác thảo Sir Godfrey Hounsfield máy CT Hình Máy CT Hình Máy CT toàn thân phát triển .6 Hình Máy CT