Chế tạo thiết bị thí nghiệm mô phỏng hệ thống cắt lớp điện toán đa lát cắt (multislice computed tomography) báo cáo tổng kết kết quả đề tài khoa học công nghệ cấp trường msđt t khud 2010 26

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Chế tạo thiết bị thí nghiệm mơ hệ thống cắt lớp điện tốn đa lát cắt (multislice computed tomography) Mã số đề tài: T-KHUD-2010-26 Thời gian thực hiện: 4/2010 – 4/2011 Chủ nhiệm đề tài: TS Lý Anh Tú Cán tham gia đề tài: ThS Lê Cao Đăng KS Nguyễn Mạnh Thi TS Huỳnh Quang Linh Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 5/2012 Danh sách cán tham gia thực đề tài (Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm môn, Khoa/Trung tâm) TS Lý Anh Tú ThS Lê Cao Đăng KS Nguyễn Mạnh Thi TS Huỳnh Quang Linh Bộ môn Vật Lý ứng dụng , khoa Khoa học Ứng dụng, ĐH Bách khoa TP HCM Chủ nhiệm đề tài Thiết kế, chế tạo Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh, khoa Khoa phần khí hệ học Ứng dụng, ĐH Bách khoa TP HCM thống Cty Việt Nhật – đại diện độc quyền Lập trình, thiết kế Hitachi mạch Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh, khoa Khoa Tư vấn, chuẩn hóa học Ứng dụng, ĐH Bách khoa TP HCM thí nghiệm THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT MỤC LỤC: Chương 1: Giới thiệu 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ Chương 2: Tổng quan lý thuyết 2.1 Sơ đồ khối hệ thống CT Scanner 2.2 Cấu tạo bóng X quang phần đầu dò thu tia X 2.3 Nguyên tắc hoạt động máy CT Scanner Chương 3: Nội dung phương pháp thiết kế 3.1 Nội dung thiết kế 3.1.1 Hệ thống khí Gantry bàn bệnh nhân 3.1.2 Hệ thống mạch điện tử thành phần liên quan 3.1.3 Hệ thống phần mềm điều khiển máy tính 3.2 Phương pháp thiết kế 3.2.1 Hệ thống khí Gantry bàn bệnh nhân 3.2.2 Hệ thống mạch điện tử thành phần liên quan - Khối nguồn - Khối vi điều khiển - Khối công suất - Khối cảm biến - Hệ thống mô hoạt động khối phát tia X dải đầu dò - Mạch RF 3.2.3 Hệ thống phần mềm điều khiển mô tạo ảnh - Giao diện - Giao diện thơng tin bệnh nhân - Giao diện điều khiển Start-up - Giao diện điều khiển thơng số góc nghiêng Gantry bàn bệnh nhân - Giao diện chọn chế độ đối tượng quét - Giao diện xem ảnh DICOM 3.2.4 Giải thuật điều khiển 3.3 Các chế độ hoạt động hệ thống CT 3.3.1 Chế độ điều khiển tay 3.3.2 Chế độ chụp Scanogram 3.3.3 Chế độ chụp Standard 3.3.4 Chế độ chụp Helical Chương 4: Kết đạt Chương 5: Kết luận hướng phát triển Tài liệu tham khảo Phụ lục : tài liệu hướng dẫn sử dụng hệ thống CT Scanner 2 2 3 6 7 7 9 9 12 13 15 16 16 17 18 18 19 21 23 24 25 25 28 32 35 35 37 38 Từ viết tắt: VĐK: vi điều khiển; CT: hệ thống CT-Scanner; FOV (field of view): trường quét ST (slice of thickness): bề dày lát cắt Trang 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Lý chọn đề tài: Ngày phát triển khoa học công nghệ đem đến nhiều ứng dụng cho lĩnh vực y tế nói chung, chẩn đốn điều trị bệnh nói riêng, hệ thống máy CT-Scanner đóng vai trị quan trọng việc hỗ trợ q trình chẩn đoán bệnh bác sĩ hầu hết bệnh viện Sự am hiểu tường tận kỹ sư cơng tác bảo trì sửa chữa máy đóng góp phần không nhỏ việc giúp bác sỹ đưa kết chẩn đốn xác dựa hình ảnh chụp thể bệnh nhân máy cắt lớp điện toán Mục tiêu đề tài thiết kế hệ thống mô hoạt động hệ thống CT-Scanner, bao gồm phần cứng thiết bị để mô việc tạo ảnh CT-Scan, kèm theo hàng loạt thí nghiệm mơ hoạt động CT-Scanner nhằm phục vụ cho trình đào tạo kỹ sư, bác sỹ kỹ thuật viên mà định hướng tương lai công việc liên quan đến hệ thống chẩn đoán 1.2 Mục tiêu đề tài: - Mô hoạt động thiết bị y tế kỹ thuật cao hệ thống cắt lớp điện toán đa lát cắt Chế tạo giảng cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy nguyên lý hoạt động cấu tạo CT Scanner - Xây dựng thí nghiệm huấn luyện kỹ thuật viên sinh viên y khoa vận hành hệ thống thực tế cắt lớp điện toán đa lát cắt khảo sát xem ảnh CT dạng DICOM xữ lý ảnh CT - Đáp ứng nhu cầu cấp thiết việc đào tạo kỹ sư, thạc sỹ ngành vật lý kỹ thuật Khoa Khoa học Ứng dụng ĐHBK tp.HCM 1.3 Nhiệm vụ: Hệ thống thiết kế bao gồm phận đáp ứng yêu cầu sau: Gantry: hệ thống gantry phải thực nhiệm vụ sau: • Quay gantry kiểm soát, ổn định tốc độ quay • Nghiêng gantry kiểm sốt góc nghiêng • Mơ hoạt động đầu đèn, dãy đầu dò bao gồm trường quét (FOV), độ dày lát cắt (ST) để mô chế độ 1, 2, 3, lát cắt • Kiểm sốt vị trí đầu đèn cơng tắc hành trình Bàn bệnh nhân: bàn bệnh nhân phải thực nhiệm vụ sau: • Nâng hạ bàn hệ thống thủy lực, có kiểm sốt vị trí độ cao • Đưa bàn vào/ra động bước với tốc độ khác nhau, kiểm soát vị trí bàn • Có sensor kiểm sốt vị trí, cơng tắc hành trình để ngắt hệ thống có cố • Đồng với hoạt động bàn gantry để thể chế độ chụp Scanogram, Standard, Helical Phần mềm điều khiển: Có nhiệm vụ chức sau • Điều khiển hoạt động hệ thống từ máy tính, thơng qua chuẩn giao tiếp RS232 • Điều khiển chế độ chụp Scanogram, Standard, Helical thông qua việc chọn thông số chế độ chụp, phận chụp, thời gian chụp, FOV, ST … • Thể đồng với hoạt động khí hệ thống việc hiển thị ảnh chụp Scanogram, Standard, Helical tương ứng với chế độ chụp, số lát cắt, ST vùng thể cần chụp • Có chương trình xem xử lý ảnh DICOM sau chụp từ thư mục • Quản lý hệ thống kết nối với máy tính hay chưa Trang 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1 S  đ  kh i c a h  th ng  CT­Scanner  Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống CT Hệ thống máy cắt lớp điện toán thường bao gồm thành phần sau: - Giàn quay (Gantry) - Bàn bệnh nhân (Patient Couch) - Khối điều khiển chuyển động học - Hệ thống máy tính (Computer System) - Bàn điều khiển (Console) - Hệ thống tạo điều khiển cao (High Tension Generator and Controller) - Máy chụp phim, máy in laser - Ngồi ra, hệ thống cịn có thêm phụ kiện như: đĩa quang từ, nguồn điện dự phòng UPS, ổn áp Các thành phần tạo ảnh máy CT: - X- ray Tube: ống phát tia X - Colimator: chuẩn trực - X-ray detector: đầu dò tia X - High Voltage Generator: phát cao - Data Acquizition System: hệ thống thu nhận tín hiệu - Image Control System (ICS): hệ thống điều khiển hình ảnh - Image Reconstruction System (IRS): hệ thống tái tạo ảnh - Hệ thống Gantry - Patient Couch: bàn bệnh nhân Trang 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT 2.2 Cấu tạo bóng X quang phần đầu dò thu tia X Cấu tạo bóng X quang Hình 2.2: Cấu tạo bóng tia X Tim đèn: phát chùm electron đến anode Anode: làm vật liệu Vonfram, nối vào cực dương nguồn cao Cathode: nối với tim đèn cực âm nguồn cao Bóng chân khơng: tạo mơi trường hoạt động cho bóng tia X Bộ phận anode xoay hệ thống tản nhiệt Thiết kế dải đầu dò Đối với hệ thống CT lát cắt để tạo lát cắt đồng thời dải đầu dị đặt cạnh dọc theo trục z Hiện thiết kế dải đầu dò chia thành hai nhóm: nhóm chấn tử đầu dị có độ rộng (gọi đầu dò cố định) nhóm kênh đầu dị có độ rộng khơng (gọi đầu dị thích ứng) Hiện hệ thống CT hãng GE cung cấp dải đầu dị có độ rộng nhau, hãng khác Siemens, Toshiba, Hitachi… cung cấp dải đầu dị có độ rộng khơng Hình 2.3: Đầu dị cố định 16 hàng x lát cắt Trang 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MƠ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT Hình 2.4: Đầu dị thích ứng hàng x lát cắt 2.3 Nguyên tắc hoạt động máy CT Các trình hoạt động qt CT: + Q trình qt thu nhận liệu thô, lưu trữ dạng tín hiệu số, + Q trình tái tạo ảnh từ liệu thơ thu nhận được, + Q trình biến đổi tín hiệu từ ảnh dạng tín hiệu số (digital) sang ảnh dạng tín hiệu tương tự (analog) để chuyển qua thiết bị hiển thị Hình 2.5: Các trình hoạt động quét CT Trang 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 3.1 Nội dung thiết kế 3.1.1 Hệ thống khí Gantry bàn bệnh nhân Gồm hai phần: Gantry bàn bệnh nhân Hình 3.1: Hệ thống khí gantry bàn bệnh nhân Hệ thống khí gantry gồm hai phần: phần tĩnh phần động mô hoạt động quay nghiêng gantry thực tế Phần tĩnh lắp đặt động DC quay gantry hệ động DCVitme để nghiêng gantry Phần động lắp phận mơ đầu đèn, dãy đầu dị, nguồn cao mạch VĐK Hình 3.2: Hệ thống mơ điện tốn cắt lớp đa lát cắt Trang 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT Hệ thống khí bàn bệnh nhân thiết kế với kết cấu tương tự bàn bệnh nhân máy CT thực tế, bao gồm hai kết cấu chính: phần nâng hạ bàn hệ thống thủy lực để đưa bàn đến độ cao mong muốn; phần dịch chuyển vào hệ vitme-động bước để đưa bàn vào vị trí vùng thể cần chụp cắt lớp 3.1.2 Hệ thống mạch điện tử thành phần liên quan Như vừa nêu phần 3.1.1, để mô hoạt động máy CT, cần điều khiển thành phần tĩnh động gantry, điều khiển hoạt động nâng hạ, vào bàn bệnh nhân, mà cụ thể điều khiển động cơ: động DC-hồi tiếp encoder (điều khiển-ổn định tốc độ quay gantry), động DC-vitme (điều khiển nghiêng gantry, có hồi tiếp, kiểm sốt góc quay qua encoder), động bước-vitme (điều khiển dịch chuyển vào bàn bệnh nhân, có hồi tiếp encoder để kiểm sốt vị trí bàn), động thủy lực van xả (điều khiển nâng hạ bàn, có hồi tiếp encoder để kiểm sốt độ cao) Để điều khiển hoạt động toàn động cho hệ thống mô CT hoạt động xác, nhóm thiết kế thi cơng phần điện-điện tử, gồm khối sau: - Khối nguồn : Cung cấp nguồn hoạt động cho động cơ, nguồn nuôi vi điều khiển - Khối VĐK: bao gồm IC VĐK, IC giao tiếp, điều khiển động Khối VĐK chịu trách nhiệm điều khiển, kiểm sốt tồn hệ thống, giao tiếp với chương trình điều khiển máy tính - Khối giao tiếp người dùng: gồm hình cảm ứng, điều khiển hoạt động gantry bàn bệnh nhân - Khối công suất: làm nhiệm vụ lái động cơ, đóng mở nguồn cho động thủy lực van xả - Khối cảm biến: xác định vị trí, góc nghiêng, tốc độ gửi tín hiệu thu nhận hệ thống vi điều khiển - Hệ thống mô hoạt động bóng X-quang – dãy đầu dị 3.1.3 Hệ thống phần mềm điều khiển máy tính Được thiết kế kỹ sư Nguyễn Mạnh Thi, giao diện thiết kế bám sát phần mềm điều khiển thực tế với ngơn ngữ lập trình VB 6.0 với mục tiêu là: - Tạo phần mềm qua người sử dụng thao tác điều khiển hoạt động hệ thống khí Gantry bàn bệnh nhân cách dễ dàng trực quan, bám sát với phần mềm thực tế - Giả lập mơ chế độ chụp q trình thu nhận tái tạo ảnh hệ thống CTScanner thực tế 3.2 Phương pháp thiết kế 3.2.1 Hệ thống khí Gantry bàn bệnh nhân - Hệ thống khí Gantry: Hệ thống gantry thiết kế cho hai chế độ hoạt động: chuyển động quay gantry mục đích đưa đầu đèn đến vị trí mong muốn chế độ scanogram, chụp cắt lớp chế độ Standard Helical; chuyển động nghiêng gantry thực chụp số vị trí đặc biệt phận thể Trang 7 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MƠ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT Hình 3.3: Cơ cấu quay gantry + Chuyển động quay gantry thực nhờ hệ thống động DC- encoder Tốc độ quay xác định kiểm sốt thơng qua encoder gắn trục động Các tốc độ quay gantry: giây/vịng, giây/vịng, giây/vịng Các cơng tắc hành trình kiểm sốt vị trí đặt gantry vị trí 1, 2, 3, tương ứng vị trí 00, 900, 1800, 2700 Gantry + Chuyển động nghiêng gantry thực nhờ hệ thống động DC dịch chuyển theo chiều hình 3.4 hệ thống encoder gắn trục quay để xác định kiểm sốt vị trí góc cần dịch chuyển đến Góc giới hạn dịch chuyển: +25O đến -25O Ngồi ra, giới hạn hai đầu hệ thống khí cịn có cơng tắc hành trình để ngắt hệ thống nghiêng, đảm bảo tầm nghiêng gantry khoảng an tồn cho phép Hình 3.4: Cơ cấu nghiêng gantry Phần chuyển động quay gantry điều khiển theo chiều quay định: theo chiều kim đồng hồ (thường thấy máy CT Toshiba, Hitachi dùng chổi quét) - Hệ thống khí bàn bệnh nhân: Trang 8 ... máy c? ?t lớp điện toán Mục tiêu đề t? ?i thi? ?t kế hệ thống mô ho? ?t động hệ thống CT-Scanner, bao gồm phần cứng thi? ?t bị để mô việc t? ??o ảnh CT-Scan, kèm theo hàng lo? ?t thí nghiệm mơ ho? ?t động CT-Scanner... Trang 2 THI? ?T KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA L? ?T C? ?T CHƯƠNG 2: T? ??NG QUAN LÝ THUY? ?T 2.1 S  đ  kh i c a h  th ng  CT­Scanner  Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống CT Hệ thống máy c? ?t lớp điện toán thường... 38 T? ?? vi? ?t t? ?t: VĐK: vi điều khiển; CT: hệ thống CT-Scanner; FOV (field of view): trường qu? ?t ST (slice of thickness): bề dày l? ?t c? ?t Trang 1 THI? ?T KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA L? ?T C? ?T CHƯƠNG