Nguyên lý tái tạo ảnh trong máy CT

Phần A Tổng quan về máy chụp cắt lớp điện toán X – ray computed tomography .2 I. Giới thiệu 2 II. Một số khái niệm cơ bản .2 a. Nguyên lý cơ sở .2 b. Thang đo độ suy giảm tuyến tính 3 c. Tạo ảnh .4

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi mà nền kinh tế đã phát triển, trình độ nhận thức của con ngườiđược nâng cao thì nhu cầu chăm sóc và bảo vệ sức khoẻ ngày càng được quantâm hơn Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trên thế giới nói chung vàở nước ta nói riêng lĩnh vực thiết bị y tế chăm sóc sức khỏe con người luôn đượcđầu tư và quan tâm một cách thích đáng Một trong những bộ phận nhỏ được ứngdụng vào y tế đó là hệ thống thiết bị chẩn đoán hình ảnh Hệ thống này đangđược 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 trongnhững thiết bị đó là máy chụp cắt lớp điện toán (CLĐT) Đây có thể coi là mộttrong những thiết bị mới và hiện đại nhất trong hệ thống thiết bị chuẩn đoán hìnhảnh ở nước ta Với hệ thống chụp CLĐT thì hình ảnh vùng thăm khám được thểhiện rõ nét hơn, tạo ra được các lớp cắt trong cơ thể giúp cho bác sỹ đễ dàngchẩn đoán hơn Với những ứng dụng thiết thực của hệ thống máy CT em đã được

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 đóviệc tìm hiểu cơ chế hoạt động của phần này là rất thiết thực và bổ ích Tuynhiên do trình độ kiến thức và thời gian hạn chế do đó bài tiểu luận này vẫn cònnhiều hạn chế và thiếu sót mong được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn.

1

Phần A TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁNX – RAY COMPUTED TOMOGRAPHY

I Giới thiệu:

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

+ Trong phương pháp chụp X quang cổ điển hình ảnh của đối tượng được ghitrên phim dưới dạng ảnh bóng mờ hai chiều Hình ảnh tạo ra theo kiểu chụp nàylà hình ảnh xếp chồng của nhiều đối tượng khác nhau trên đường truyền của tiaX Do vậy việc chuẩn đoán dựa vào phim cũng phần nào bị hạn chế.

+ Nhằm khắc phục nhược điểm đó, CT tạo ra ảnh thay thế thay cho ảnh xếpchồng vì chỉ xử lí những thông tin của lớp cắt cần quan tâm Như vậy trong CTchi tiết của đối tượng tương ứng một cách chính xác với chi tiết ảnh mà khôngliên quan dến các phần tử đối tượng nằm cận kề trên đường chiếu của chùm tiaX Đây chính là điểm cốt lõi chứng minh tính hiệu quả cao của phương phápnày: CT có thể tạo ra những ảnh của các mô mềm với độ tương phản cực cao màphương pháp cổ điển không thể thực hiện được.

+ Đặc biệt hơn kỹ thuật CT còn giúp tạo ảnh hình dạng thực của các cơ quanbị tổn thương, phương pháp cổ điển chỉ tạo ảnh thông qua các thông tin gián tiếpthông qua sự dịch chuyển của mạch máu, trong khi đó CT rất nhiều trường hợpđã 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 được ảnh của các lớp cắt cần quan tâm trong cơ thể thì cần phải tínhđược độ suy giảm của tia X khi đi qua lớp cắt tại nhiều hướng nhờ một hệ thốngbóng X quang và bộ phát hiện ( cảm biến) Một dạng hệ thống đơn giản nhất làsử dụng chùm tia có bề dày cỡ bút chì xuyên qua lớp cắt để đo độ suy giảm Đểxác định độ suy giảm, trước hết dịch chuyển hệ thống đo này theo hướng vuônggóc với chùm tia và song song với mặt phẳng chứa lớp cắt, sự dịch chuyển nàytrải qua toàn bộ tiết diện của lớp cắt.

+ Đồng thời tại những khoảng nhất định trong khi dịch chuyển , cường độ bứcxạ tia X tại cảm biến sẽ được ghi lại Như vậy sau khi đã dịch chuyển toàn bộ

2

lớp cắt sễ ghi được một tập hợp các số liệu đo tương ứng với một tiết diện chéovà tập số liệu này gọi là phép chiếu.

Hình 1: Mô phỏng hệ thống CT đơn giản nhất

+ Trái ngược với kỹ thuật chụp X quang cổ điển, để tạo được ảnh trong kỹthuật CT cần có nhiều phép chiếu Những phép chiếu này được tạo ra bằng cáchquay cả hệ thống đo một góc nhỏ cỡ 1o chng quanh trục vuông góc với mặtphẳng chứa lớp cắt, sau mỗi lần thực hiện phép chiếu, rồi thực hiện phép chiếutheo trình tự như trước cho tới khi cả hệ thống đo dịch chuyển một góc quay ítnhất bằng 180o.

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

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

+ Để tạo ra hình ảnh của lớp cắt thì thông thường ma trận điểm ảnh đượcchuyển đổi thành các mầu sắc trắng, xám, đen hoặc mầu để biểu thị trên mànhình và mắt người có thể quan sát được.

b Thang đo độ suy giảm tuyến tính:

3

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

J = Jo e -x Trong đó J : Cường độ bức tia ló

Jo : Cường độ bức xạ tia ló; x : Bề dày lớp đối tượng;  : Hệ số suy giảm tuyếntính của tia X với vật chất nói chung.

Trị số  phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng bức xạ vì vậy chỉ có ứng dụng đểđặc trưng hoá khả năng suy giảm của tia X Trong CT thay vì sử dụng , mộtđơn vị đặc trưng được ứng dụng là chỉ số CT được tính theo công thức sau:

CT =

III Một số phương 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.+ Phương thức quét: Bóng X quang và đầu dò dịch huyển song song theohướng vuông góc với chùm tia bao trim toàn bộ mặt phẳng lớp cắt sau đó quaymột góc rồi tiếp tục dịch chuyển song song theo hướng mới Trong khi dịchchuyển song song, tại những khoảng cách đều đặn chùm tia X được phát và thu.

4

Quá trình cứ tiếp diễn cho tới khi số lượng tín hiệu thu được đủ lớn cho việc táitạo ảnh.

+ Tuy nhiên thế hệ máy này hiện tại không được dùng vì hiệu suất sử dụngnguồn tia X thấp và phải tạo một liều tia X đủ lớn tại cảm biến đủ để đo nên máykhông thể chuyển động với vận tốc cao.

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

+ Thời gian chụp có thể giảm nhờ một cảm biến thứ hai đặt lion kề với cảmbiến đầu theo hướng của bề dày lớp cắt chùm tia X sẽ tương hợp với cả hai cảmbiến và xử lí dữ liệu cho cả hai lớp cắt Tuy nhiên trong thực tế việc giảm thờigian tạo ảnh chỉ có thể đạt được nhờ tăng số lượng 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 – 30đầu dò đặt liền nhau trong hướng quét, chùm tia phát có dạng hình quạt.

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

+ Với cách bố trí đầu dò này thì lượng dữ liệu sẽ được đo nhiều hơn nhờ vàosố lượng đầu dò tăng Chính vì vậy thời gian quét đã được giảm xuống khoảng50 – 60 giây.

3 Máy CT thế hệ thứ ba:

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

+ Phương pháp quét: Hệ thống do quay quanh đối tượng một góc 3600 để thựchiện một lớp cắt Khi quay tia X có thể được phát thành xung tại những góc cốđịnh hoặc được phát liên tục Với cấu trúc này thì hệ thống đo chỉ thực hiện mộtkiểu chuyển động quay và quay liên tục chứ không phải từng bước do đó thờigian chụp giảm xuống cỡ một vài giây.

5

+ Ưu điểm của loại máy này là thời gian chụp ngắn cỡ một vài giây Không bịnhiễu ảnh hình tròn Tuy nhiên cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dò lớn hơn rấtnhiều.

5 Máy CT thế hệ thứ năm:

Để giảm thời gian quét xuống thấp hơn nữa ( cỡ khoảng n.10ms) một số ngiêncứu 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 kỳmột bộ phận nào trong hệ thống đo Chùm tia X không chỉ phát bởi một mà làmột hệ thống bóng X quang hoặc một loại bang X quang đặc biệt với anod cónhiều rãnh bố trí cố định chung quanh bệnh nhân Bộ phát hiện bao gồm nhiềuđầu dò bố trí cố định trong một vòng cung 1800 Chùm tia điện tử từ song điện tửđược điều khiển lần lượt 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 phương thức thu thập dữ liệu: Loại máy CT thế hệ 1,2 sửdụng phép chiếu song song vì vậy gọi là máy quét chùm song song Loại máy thếhệ thứ ba dùng phép chiếu xuyên tâm, có sự chuyển động của bang X quang vàcảm biến nên còn gọi là máy quét chùm rẻ quạt Loại máy thế hệ thứ tư cũngdùng phép chiếu xuyên tâm nhưng bang X quang thì quay trong khi đó hệ thốngcảm biến đứng yên và có thể coi như tâm phép chiếu nên gọi là máy quét cảmbiến vòng.

* Hạn chế ảnh hưởng của chùm tia thứ cấp: Trong hệ thống máy CT để giảmthời gian phát tia người ta thường mở rộng chùm tia, nhưng khi đó lượng tia Xquang thứ cấp thâm nhập vào các cảm biến tăng do đó làm giảm chất lượng hìnhảnh Để giảm lượng tia X quang thứ cấp người ta thường bố trí một hộp chuẩntrực ngay trước mặt hệ thống cảm biến, hướng hội tụ của hộp chuẩn trực nàyhướng về điểm hội tụ của bóng và hộp chuẩn trực này được gắn cố định và cùngquay với hệ thống đo quanh bệnh nhân Tuy nhiên trong loại máy CT thế hệ thứtư thì không thể đặt hộp chuẩn trực trước cảm biến được vì khi đó hướng hội tụcủa hộp chuẩn trực sẽ tâm vòng chứ không vào điểm hội tụ như yêu cầu Trongtrường hợp này một giải pháp đưa ra là tăng khoảng cách giữa bệnh nhân vẩcmbiếnđể giảm bức xạ thứ cấp.

* Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cảm biến: Để cải thiện chất lượnghình ảnh thì cần tăng số lượng đầu dò, tuy nhiên số lượng này tăng đến mộtlượng nào đó thì chất lượng ảnh cũng không cải thiện được nữa Do đó người tacố gắng duy trì số lượng đầu dò ít nhất mà vẫn thoả mãn được chất lượng hìnhảnh Tuy nhiên trong loại cảm biến vòng thì khoảng cách giữa các cảm biến lớn

6

hơn so với máy chùm hình quạt vì yêu cầu kích thước của thiết bị phù hợp vớingười bệnh Kết quả là độ phân giải không gian giảm, để khắc phục điều nàyngười ta đặt bổ sung bộ chuẩn trực để giảm bớt dộ rộng cảm biến nhưng lại dẫnđến làm tăng nhiễu ảnh và giảm khả năng phân giải nếu vẫn giữ nguyên liềulượng tia vì vậy làm tăng liều lượng tia cho người 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 mặtphẳng đứng các góc tới  300 tuỳ thuộc loại máy Góc nghiêng có thể đặt tựđộng hoặc nhân công.

* Bóng X quang: Cấu trúc bóng X quang ở máy CT giống như của máy Xquang thông thường đó là loại anod quay và tốc độ quay có thể điều khiển đượcvà làm mát bằng dầu và quạt gió để có khả năng phát tia lâu dài Khả năng chịunhiệt của bóng rất cao tới vài MHU, thông thường trong bóng có chứa cảm biếnnhiệt để đo lường và kiểm soát tình hình của bóng.

7

* 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 ngược chiều kim đồng hồ đan xen nhau).

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

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

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

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

- Quét xoắn ốc: Giàn quay quay liên tục, bàn bệnh nhân liên tục dịch chuyểnvới 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 dòngđiệnđược tích luỹ như là một dữ liệu thô để tái tạo ảnh.

- Đầu dò chất rắn thông thường CdWo4: Được chế tạo bởi vật liệu phát quangvà điốt phát quang Khi tia X va đập vào tấm vật liệu sẽ được biến đổi thành ánhsáng Nhờ điốt phát quang ánh sáng này được biến đổi thành dòng điện.

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

8

Hình 3: Cấu trúc đầu dò khí xê - nông

Hình 5: Sơ đồ khối hệ thống tích luỹ dữ liệu

10

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 được dùng để thu thập và tạora 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 cácthuộc 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 gócvới trục cơ thể, tới bộ phát hiện ( detector ) gồm nhiều tế bào ghi nhỏ để đo bứcxạ 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 ngànphép đo trong một vòng quay 3600, những dữ liệu đo sẽ được ghi vào bộ nhớ.

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

Phần B TÁI TẠO ẢNH CTI Khái niêm chung:

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

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

11

+ Như ta đã biết chỉ với một giá trị đo thì không thể xác định được sự phân bốcủa độ suy giảm dọc theo chùm tia bức xạ Bởi vậy với một phép chiếu sẽ khôngđủ dữ liệu dể xác định sự phân bố của khả năng làm suy giảm bức xạ trong lớpcắt mà phải cần tới rất nhiều phép chiếu theo các phương khác nhau đặc biệt vớinhững đối tượng có cấu trúc phức tạp.

+ Tuy nhiên những đối tượng có cấu trúc quá tinh vi thì ít được tạo ảnh bằngCT, vì chỉ có thể tạo được ảnh của đối tượng này với nhiều bóng mờ Đứng vềphương diện lý thuyết thông tin, hệ thống đo thực hiện phép lọc thông giai thấpvà vì vậy nó chỉ mô phỏng đối tượng nào có mức độ tinh vi nhất định Vấn đềxác định xem cần bao nhiêu phép chiếu sẽ được xem xétở những phần sau: Bềdày hữu hạn của cảm biến và hội tụ trong máy CT không nên xem như là nguyênnhân làm giới hạn độ phân giải mà nên xem đó như là một điều kiện cần thiết đểtái 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 đơngiản nhất – loại máy chùm tia song song Các loại máy chùm rẻ quạt và cảm biénvòng đòi hỏi các thật toán phức tạp hơn nhiều, tuy nhiên chúng cũng có thể dẫnxuất từ thuật toán áp dụng cho loại máy chùm song song bằng phép biến đổi toạđộ.

+ Nguyên lý quét đơn giản được minh hoạ như hình vẽ, trong đó một phépchiếu được đặc trưng bởi vị trí  trong hệ toạ độ  ,  lệch một góc  somvới hệtoạ độ gốc x,y.

+ Cường độ J đo được tại cảm biến phụ thuộc vào góc chiếu  , vị trí  vàcường độ tia tới J0:

J = J(,) = J0 e - d (2.1)

+ Thông qua toàn bộ các giá trị J(,) đo được có thể tính được hệ số suygiảm  trong lớp cắt Giải phương trình tích phân trên ta sẽ tính được  Tuynhiên để thuận tiện hơn, trước hết cần biến đổi phưong trình trên thành phươngtrình tích phân tuyến tính bằng cách lập mối quan hệ giữa J(,) và J0 rồi lấylôga hai vế:

P() = lnJ( ,0 )