1.2 Tái dựng hình ảnh 3D
1.2.3.1 Một số thiết bị tạo lát cắt song song tron gy tế
CT (Computer Tomography) [17]
Cơ sở lý thuyết của CT dựa trên thuật toán Randon được đưa ra năm 1917. Radon cho rằng hình ảnh của một vật thể có thể được tạo ra nếu chúng
ta có một số những hình chiếu xuyên qua vật thể.
Để tạo ra hình ảnh ta dùng một chùm tia X chiếu xuyên qua cơ thể bệnh nhân. Có 2 dạng chùm là chùm tia song song (parallel beam) và chùm tia hình quạt (fan beam). Một bức ảnh cắt lớp ta cần khoản 800 tia chiếu theo nhiều góc khác nhau.
Nếu tia X phát ra có cường độ I0 thì cường độ tia thu được trên các cảm biến sau khi đã đi qua cơ thể bệnh nhân là:
It= I0.e-µt
Với: t là độ dày lớp mô tia X đi qua
µ là hệ số suy giảm tuyến tính dọc theo tia Khi đó ta có thể tính được:
µt = ln(I0/I)
Thông số này cho biết cấu trúc giải phẫu của mô
Sau khi có dữ liệu thô (các hình chiếu) ta dùng các thuật toán tái tạo CT (CT reconstruction algorithm) để tái tạo hình ảnh CT. Thuật toán được sử dụng phổ biến hiện nay là filtered backprojection.
Sau quá trình tái tạo CT mỗi pixel trên ảnh sẽ được gán một số thực (floating point number). Tuy các biểu diễn này rất thuận lợi cho tính toán nhưng lại không thuận lợi để biểu diễn vì hầu hết các phần cứng đồ họa đều dùng các ảnh số nguyên. Do đó, sau quá trình tái tạo CT ảnh CT phải được chuẩn hóa (normalize) và làm tròn thành các số nguyên trước khi dùng để hiển thị và lưu trữ. Các số nguyên đó còn gọi là các số CT (còn gọi là đơn vị Hounsfield, kí hiệu HU). Số CT của mỗi pixel được tính theo công thức sau:
µ(x, y) là số thực tại pixel(x, y)
µnuoc là hệ số suy giảm tuyến tính của nước. (µnuoc = 0.195 cho hầu hết các máy CT hiện nay.)
Sau khi chuẩn hóa số CT sẽ nằm trong khoảng -1000 đến 3000, trong đó -1000 đại diện cho không khí; mô mềm từ -300 đến -100; nước là 0; xương đặc và một số khu vực có tác nhân tạo tương phản số CT có thể lên tới 3000. Ảnh CT có độ tương phản cao đặc biệt là các mô cứng như xương. Muốn quan sát rõ các mô mềm hay mạch máu cần tiêm thêm các chất cản quang vào có thể bệnh nhân.
MRI (Magnetic Resonance Imaging)
Khi được đặt trong một từ trường ngoài B0 thì một hạt nhân có thể có một trong 2I + 1 mức năng lượng (trong đó I là số spin của hạt nhân), mỗi mức năng lượng tương ứng:
Em = -γħB0m m = -I, -(I-1), …, I-1, I.
γ: tỉ số Larmor (tỉ số hồi chuyển từ, đơn vị: Hz/T)
ħ = h/2π, trong đó h là hằng số Plank.
Khi hạt nhân chuyển mức năng lượng nó có thể phát ra một photon có năng lượng đúng bằng chênh lệnh giữa hai mức năng lượng. Nếu hai mức năng lượng đó kế tiếp nhau thì tần số của photon có thể tính qua công thức Larmor. Các thiết bị MRI hiện nay thường sử dụng từ trường cường độ 0,5 đến 1,5T với cường độ đó các hạt nhân hydro phát ra tín hiệu có bước sóng từ 21,3 MHz đến 63,9 MHz (nằm trong dải tần radio).
Để chuẩn mức năng lượng cho hạt nhân ta sử dụng các chuỗi xung radio (RF pulse sequence). Do tác dụng của các xung này các vectơ Mxy, Mz sẽ đổi
hướng và trong quá trình hồi phục lại sẽ phát ra các photon, tín hiệu photon này được gọi là tín hiệu cộng hưởng từ (magnet resonance signal). Nguyên tắc thu tín hiệu dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (định luật Faraday) cho biết một số thông tin trong cấu trúc của mạng.
Tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh nếu mật độ photon càng cao. Do đó ảnh MRI cho kết quả tốt với các loại mô mềm như não, tủy sống nhưng không có hiệu quả cao với các loại mô cứng như xương.
Siêu âm (ultrasound)
Trong phương pháp siêu âm ta thường dùng các tinh thể áp điện phát các xung siêu âm trong khoảng 1MHz đến 20 MHz xuyên qua mô, sau đó thu tín hiệu phản hồi trên các mô và tái tạo thành hình ảnh.
Ảnh siêu âm có kết quả tốt với các mô thuộc vùng bụng như thai nhi, gan, thận… nhưng không hiệu quả với những loại mô xương và mô có chứa nhiều khí như phổi,…
Ảnh siêu âm có độ phân giải không cao tuy nhiên phương pháp này an toàn và máy móc gọn nhẹ nên được sử dụng rộng rãi.
Do ảnh siêu âm có độ phân giải thấp nên kỹ thuật dựng ảnh 3D từ ảnh cắt lớp siêu âm phức tạp hơn so với ảnh cắt lớp CT và MRI.
Các ảnh được sinh ra từ các máy sinh ảnh CT, MRI… là các ảnh 2D được lưu trữ dưới định dạng DICOM. Ngày nay hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụng DICOM vào trong các thiết bị y khoa.