2.2.1 Nguyên lý của chụp nhũ ảnh 3D
Chụp nhũ ảnh 3D số (digital tomosynthesis – DTS) là một kỹ thuật chụp cắt lớp cho phép thu nhận được một số lượng nhiều những hình ảnh tương tự ảnh X quang trong một phạm vi góc hạn chế để tạo ra hình ảnh của phần được kiểm tra (Dobbins and Godfrey 2003). Các phép chiếu hai chiều có thể cung cấp các thông tin ảnh ba chiều về đối tượng được chụp nhờ các thuật toán tái cấu trúc đơn giản. Một số tác giả, (Miller et al 1971, Garrison et al 1969) đã chứng minh là chụp nhũ ảnh 3D với phim như một đầu dò sử dụng phương pháp có nguồn gốc từ những nhà nghiên cứu Hà Lan Ziedses des Plantes người mà trong những năm 30 đã giới thiếu công nghệ chụp cắt lớp với cộng đòng nghiên cứu y học (Ziedses Des Plantes 1932). Việc chuyển đổi từ màn phim sang các phương tiện thu nhận ảnh điện tử đã làm đơn giản hóa quá trình chụp nhũ ảnh 3D, tuy nhiên chúng vẫn không thể cạnh tranh được với công nghệ chụp cắt lớp điện toán (CT) được phổ biến rộng rãi vào những năm 70. Sự quan tâm lại được giành cho DTS vào cuối những năm 80 với sự phát triển của các thuật toán có thể áp dụng trong chụp nhũ ảnh 3D và cho phép tái cấu trúc các mặt phẳng ở bất kỳ hướng nào so với mặt phẳng điểm tựa (fulcrum plane). Kolitsi et al. được mô tả như mộ thuật toán dựa trên sự chuyển đổi các nhóm pixel hơn là đơn lẻ và được gọi là thuật toán đa phép chiếu (Multiple Projection Algorithm - MPA) kết quả là giảm đáng kể thời gian tính toán (Kolitsi 1991). Những thành tựu này, cùng với sự xuất hiện của đầu dò hình phẳng kỹ thuật số vào nhưng năm 90 đã khiến hình ảnh có chất lượng cao và việc đọc ra kết quả nhanh chóng (Dobbins and Godfrey 2003) dẫn đến những hoạt động nghiên cứu sâu rộng lĩnh vực này trong những năm qua.
Chụp nhũ ảnh 3D được chứng minh là rất hữu ích với chụp ảnh vú trong nỗ lực phát hiện và xác định vị trí chiều sâu của những bất thường với liều tương đương với chụp nhũ ảnh thông thường (Niklason et al 1997). Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, BT có thể hữu ích trong việc mô tả các tổn thương đặc biệt là ở các vùng ngực dày (Gong et al 2006) và có khả năng làm giảm tỷ lệ thu hồi (Gur et al 2009).
Để tái tạo lại các lớp mặt phẳng của đối tượng được chụp, chúng ta cần thu được một số lượng nhất định các hình chiếu của đối tượng này trên một vòng cung. Để thu được số ảnh này, cần có sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và đầu thu. Trong hầu hết các nghiên cứu, một đầu dò số, toàn trường (full-field), phẳng được sử dụng. Đây là loại đầu do lý tưởng do nó có độ ồn thấp, lớn, diện tích bề mặt phẳng với sự biến dạng hình ảnh rất ít và đọc ra kết quả nhanh chóng. Các nguồn phát tia X thường di chuyển trên một vòng cung xung quanh vật được chụp và có thể song song với các đầu dò ở quỹ đạo đối diện, tuy nhiên các dạng hình học khác cũng đang được nghiện cứu. Nhiều những đặc điểm truyền thống của được sử dụng trong chụp nhũ ảnh thôngthường có thể được áp dụng trong chụp nhũ ảnh 3D cũng như hai phương pháp thu nhận những thông số giống nhau. Đối với hai tham số chỉ áp dụng trong chụp nhữ ảnh 3D là phạm vi góc bao phủ trong quá trình thu và số lượng các phép chiếu, đã có rất nhiều các giá trị được sử dụng trong nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng báo cáo về BT. Trong hầu hết các nghiên cứu, phạm vi góc thay đổi từ 30 ° - 60 ° trong khi số lượng phép chiếu thường là giữa 11-25 (Sechopoulos và Ghetti 2009, Suryanarayanan et al 2000, Wu et al 2003, Poplack et al 2007). Những kết quả này cùng với các nghiên cứu tối ưu hóa liên quan đến các thông số trên dùng cho BT với chùm đơn sắc sử dụng mô phỏng (Malliori et al 2013) và thí nghiệm (Malliori et al 2012) sẽ được trình bày chi tiết trong chương 6. Sự kết hợp việc tối ưu các thông số nên là tối đa hóa phạm vi góc với số lượng phép chiếu gần với giá trị xác đinh bởi chất lượng tái cấu trúc cần thiết theo giới hạn tổng liều (Sechopoulos và Ghetti 2009).
Nhìn chung, liều trong một lần kiểm tra BT single – view bằng một đến hai lần so với chụp nhũ ảnh số single – view số, toàn trường thông thường (FFDM) (Dobbins 2009). Cụ thể là, liều hấp thụ trung bình với các tuyến nội tiết (MGD) của BT được báo cáo là từ 0.6 đến 4 mGy (Feng và Sechopoulos 2012, Poplack
et al 2007, Dobbins 2009). Trong các nghiên cứu về phép đo liều lượng BT gần đây, Feng and Sechopoulos (Feng and Sechopoulos 2012) báo cáo giá trị GMD tương tự nhau cho vú có kích thước trung bình (dày 5cm, 50% mô tuyến), trong trường hợp BT và FFDM, dạng này cao hơn 8% (1.30mGy và 1.20mGy, tương ứng). Trong trường hợp này, sự kết hợp giữa hai phương thức (ảnh tổng hợp giữa 2D và 3D) sẽ cho kết quả đối với tổng liều theo Mammography Quality Standards Act limits cho chụp nhũ ảnh nghiên cứu hai phương (2.5mGy). Nói cách khác, đối với ngực dày 6cm và 14% mô tuyến, BT cần liều gần gấp đôi so với FFDM (2.12mGy và 1.16mGy, tương ứng). Các kết quả được báo cáo là một ảnh phantom đồng nhất sử dụng kiểm soát phơi sáng tự động (AEC) của hệ thống Selenia Dimension (Hologic, Bedford, Mass). Hệ thống này là một trong hai hệ thống BT thương mại hiện đang được sử dụng và đặc điểm của nó được trình bày trong Bảng 2.2. Phổ X-ray là một khía cạnh quan trọng trong việc tối ưu hóa liều. Phổ được báo cáo trong BT đặc trung cho những người sử dụng chụp nhũ ảnh số thông thường, nhưng phổ tối ưu cuối cùng không được quyết định cho đến khi nó được xác định, cho dù BT được sử dụng cho khối (mass) hoặc điểm vôi hóa hoặc chỉ cho khối. Thông thường, bia W được sử dụng cùng với bộ lọc Al, Ag hoặc Rh cho mô tuyến trung bình 50% và độ dày từ 2cm đến 6c, kVp từ 26 đến 33. Việc lựa chọn phổ năng lượng lớn hơn với sự kết hợp bia/lọc của W/Rh, Rh với độ dày 50μm đã cho tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn phổ của Mo, dường như có lợi hơn cho chụp nhũ ảnh 3D (Zhao et al 2005). Các hình chiếu có được trên các đầu dò được dùng để tái tạo ảnh ba chiều của đối tượng. Nguyễn lý là việc thay đổi vị trí một các phù hợp giữa nguồn phát và đầu dò trong quá trình thu ảnh, sự dịch chuyển hợp lý và thay đổi góc chiếu, làm sao để mặt phẳng qua tâm được chiếu ở cùng một điểm trên đầu dò. Kết quả là mặt phẳng qua tâm còn trong tiêu cự trong khi những chi tiết ngoài tiêu cự khác bị mờ trên ảnh thu được. Nhiều thuật toán tái cấu trúc đã được phát triển trong đó có Back Projection, Multiple Projection Algorithm (Kolitsi et al 1992), phương pháp lặp lại và các phương pháp tái cấu trúc cao cấp khác như Algebraic Reconstruction Technique, Matrix Inversion tomosynthesis and Maximum Likelihood method (Suryanarayanan et al 2000, Wu et al 2003). Tương tự như vậy các kỹ thuật tái cấu trúc, một số phương pháp lọc đã được đề xuất để được sử dụng cùng với DTS hoặc ảnh chiếu trước khi tái cấu trúc hoặc
sau đó trên phim tái cấu trúc. Các kỹ thuật loại bỏ nhiễu đang hướng tới loại bỏ các cấu trúc ngoài tiêu cự mà sẽ tạo ra sự mờ ảnh trong qúa trình tái cấu trúc, mặc dù chúng vẫn tồn tại và vẫn ảnh hưởng đến chất lượn hình ảnh.
2.2.2 Hệ thống và công nghệ thu nhận
Chụp cắt lớp thông thường
Chụp cắt lớp hình học hoặc thông thường được áp dụng trong các hệ thống chụp cắt lớp đầu và đại diện cho một bước tiến lớn trong chẩn đoán hình ảnh. Nó được thực hiện trên cơ sở một lát cắt đơn sử dụng thụ cảm phim và thu ảnh liên tục. Cụ thể hơn, chuyển động đối lập tuyến tính song song của ống tia và phim được sử dụng để thu được ảnh của các phép chiếu. Hình hai đường song song (hình 2.5) bao gồm bất cứ chuyển động nào (tuyến tính hoặc tròn) mà hạn chế trục của ống song song với các thụ thể.
Hình 2.5. Hình dạng đường quan tuyến song song ( Hình ảnh dựa theo Dobbins and Godfrey 2003).
Bất chấp tầm quan trọng của các ý tưởng, các phương thức vẫn tồn tại hai thiếu sót: Thủ tục cho phép duy nhất sự tái cấu trúc mặt phẳng trục, và do đó để tạo ra nhiều lát cắt hơn phái lặp đi lặp lại việc thu nhận, dẫn đến tăng liều cho bệnh nhân; không có khả năng ngăn chặn hiệu quả những chi tiết ngoài trục. Ngay sau đó, Miller et al. công bố kết quả của họ về ‘photographic laminography’ (Miller et al 1971) và Grand xây dựng nguyên mẫu 3D thụ cảm hình ảnh dựa trên thu nhận hình ảnh dạng tròn liên quan tới thuật ngữ “tomosynthesis” với khả năng hồi tố sản xuất một số lượng vô hạn ảnh phim chụp.
Hệ thống Tomosynthesis sử dụng chuyển động isocentric
Hầu hết những hình dạng chuyển động ngày đầu của Tomosynthesis liên quan đến chuyển động của ống tia X trên một đường song song với mặt phẳng của thụ thể. Tuy nhiên sau đó, trong hình dạng cố định được chấp nhận trong các thiết bị chụp cắt lớp, bao gồm thiết bị C-arm hoặc U-arm, ống tia và máy dò (hoặc chỉ ống tia) di chuyển trong một vòng cung về một điểm gọi là trung tâm của vòng cung hoặc isocenter. Tùy thuộc vào sự chuyển động của máy dò, chuyển động này tiếp tục chia ra để hoàn thành isocentric hoặc một phàn chuyển động isocentric (Hình 2.6).
Hình 2.6: Dạng hình học của Tomosynthesis sử dụng chuyển động isocentric. (a) Chuyển động isocentric đầy đủ (b) Một phần chuyển động isocentric với nguồn di chuyển trên một vòng cung và đầu dò nằm ngàng trong một mặt phẳng (c) Một phần chuyển động isocentric của (Niklason et al 1997) với đầu dò đứng yên (hình ảnh dựa theo Dobbins and Godfrey 2003).
Chuyển động isocentric đầy đủ
Trong chuyển động này (Hình 2.6a), ống X quang và hệ thống tăng sáng ảnh được khóa cùng nhau và quay xung quanh một điểm cố định, các isocenter, trong khi đó vẫn tồn tại một hằng số mặc dù khoảng cách thường khác nhau giữa nguông với isocenter và isocenter với đầu dò dẫn tới hằng số phóng đại liên tục. Bởi vì các đầu đf quay nên mặt phẳng của nó không thể coi là song
song với bất cứ mặt phẳng nào của bệnh nhân. Điều đó có nghĩa là những thay đổi phù hợp đã được áp dụng để liên kết giữa dữ liệu ảnh được chiếu trên mặt phẳng song song và các mặt phẳng có liên quan khác.
Chuyển động isocentric một phần
Trong kiểu chuyển động của isocentric này, ống tia X di chuyển trên một vòng cung về tâm trong khi đầu dò có thể di chuyển trên một mặt phẳng (hình 2.6 b) hoặc đứng yên (hình 2.6 c). Trong chuyển động này, ống tian X không di chuyển trên một đường song song với đầu dò, nên độ phóng đại của các cấu trúc sẽ khác nhau với các góc hấp thụ khác nhau trong các phép chiếu, ngược lại với hình dạng đường song song khi mà chúng là cố định. Chuyển động isocentric một phần với đầu dò cố định là loại chuyển động hình học tiêu biểu nhất cho các ứng dụng về chụp X quang vú do thực tế việc xây dựng cấu trúc cơ khí của các loại mấy chụp X quang vú hiện nay dễ dàng kết hợp với kiểu chuyển động này.
Hệ thống BT trong lâm sàng
Hiện nay, hầu hết các máy BT đều có các thành phần cơ bản giống như hệ thống chụp nhũ ảnh số hóa như đầu dò, đĩa nén, ống tia X gắn trên một cánh tay, làm cho các hệ thống phù hợp để làm việc trong cả hai phương thức với những điều chỉnh nhỏ. Các điều chỉnh quan trọng nhất bao gồm khả năng của ống tia X để xoay xung quanh một điểm cụ thể giữa nguồn và máy dò; đáp ứng phổ lọc của tia X khác nhau để phù hợp cho BT; đầu dó với khả năng đọc ra nhanh hơn. Các đặc điểm và thông số kỹ thuật của hệ thống BT đã được sử dụng hoặc nguyên mẫu được phát triển, bao gồm những nhánh từ các thiết kế điển hình được mô tả ở trên, đã được tóm tắt trong một nhận xét tổng quan gần đây của Sechopoulos (Sechopoulos 2013a). Trong bảng 2.2, các chi tiết kỹ thuật của hai hệ thống BT thương mại đang được sử dụng được trình bày. Bảng 2.2: Đặc điểm của hai hệ thống BT được dùng trong lâm sàng
Siemens MAMMOMAT Inspiration
Hologic Selenia Dimensions
Vòng cung thu ảnh 50o 15o Số lượng phép chiếu 50 15 Ống tia X W, 0.05 mm Rh W, 0.7 mm Al
Chuyển động liên tục Chuyển động liên tục Đầu dò Trường đầy đủ trực tiếp (a-
Se)
size (cm):24x30 pixel size (μm): 85 đứng yên
Trường đầy đủ trực tiếp (a- Se)
size (cm):24x329
pixel size (μm): 70 (bined 2x2)
quay Khoảng cách từ
nguồn tới đầu dò (cm)
65.6 70
Khoảng cách từ đầu dò tới tâm quay (cm) 4.7 0 Lỗ hổng không khí (cm) 1.7 2.5 Phương pháp tái cấu trúc FBP FBP
Nhiều phương thức khác như Flashing tomosynthesis (Nadjmi et al 1980, Becher et al 1985, Haaker et al 1985a, Stiel et al 1993) sử dụng một mảng gồm nhiều điểm nguồn tia X và Tuned Aperture Tomosynthesis (Webber et al 1997) cũng được đề xuất.
2.2.3 Thuật toán tái cấu trúc Thuật toán dịch và cộng ( SAA)
Thuật toán dịch và cộng tái cấu trúc các mặt phẳng song song thành các mặt phẳng trục ( mặt phẳng của trục mà nguồn và đầu dò di chuyển) (Maravilla et
al 1983, Haaker et al 1985b, Rimkus et al 1989). Phương thức tái cấu trúc này
dựa trên thực tế là trong quá trình chuyển động tương đối giữa nguồn và đầu dò, cấu trúc các mặt phẳng với các chiều dài trục z khác nhau, được chiếu lên đầu dò với các vị trí khác nhau phụ thuộc vào chiều dài đó. Vì vậy, các mặt phẳng ở các toạn độ khác nhau trước hoặc sau mặt phẳng trục, có thể dễ dàng tái cấu trúc bằng cách chuyển các hình ảnh phép chiếu trước khi cộng, do đó những cấu trúc từ mặt phẳng cụ thể hội tụ ở tiêu cự và xuất hiện sắc nét trong
ảnh. Các cấu trúc từ tất cả các mặt phẳng trước và sau xuất hiện ở các vị trí khác nhau trong ảnh dịch và do đó bị mờ nhạt sau khi cộng. Điều chỉnh sự dịch, cho phép tái cấu trúc tất cả các mặt phẳng song song với mặt phẳng trục trong một lần, từ một bộ thu. Trong các trường hợp cụ thể của mặt phẳng trục, cấu trúc của mặt phẳng này tự động nằm đúng vào tiêu cự, vì vậy các phép chiều rất đơn giản và không phải dịch trước, giống như chụp cắt lớp thông thường.
Thuật toán chiếu lại (BP)
Thuật toán chiếu lại là một thuật toán có thể áp dụng trong tomosynthesis và cho phép tái cáu trúc mặt phẳng tùy ý ở bất kỳ hướng nào đối với mặt phẳng trục (Back Projection algorithm (BP) Kampp 1986). Mỗi điểm ảnh trong hình ảnh chiếu được chuyển ngược lại và giữ tại giao điểm của nguồn tia và các mặt phẳng được tái cấu trúc. Mặt phẳng tái cấu trúc có thể được địng nghĩa theo cách một mặt phẳng tham chiếu quay về một trong ba trục bất kỳ theo hướng mong muốn. Mức xám trong ma trận cuối cùng được tính toán dựa trên một kỹ thuật nội suy lựa chọn sau đó các giá trị được cộng lại và chia cho tổng trọng lượng nội suy tương ứng với mỗi điểm ảnh. Thuật toán này có thể tái cấu trúc chính xác mặt phẳng ở bất kỳ hướng mong muốn nào. Tuy nhiên vì cách này thực hiện theo cách từng điểm ảnh một nên thời gian cho kết quả sẽ lâu.
Thuật toán đa phép chiếu (MPA)
Thuật toán đa phép chiếu là thuật toán tái cấu trúc DTS tối đa hóa hiệu quả khả năng tạo ảnh ở hướng bất kỳ được phát triển tại University of Patras thuộc luận án của tiến sĩ Zoi Kolitsi (Multiple Projection algorithm (MPA) Kolitsi 1991). Pixel trong sữ liệu chiếu mà được chiếu bởi cùng một cách, được dịch trong nhóm chứ không phải dịch riêng lẻ, kết quả là giảm bội thời gian. Đối với mỗi góc thu, dữ liệu phép chiếu là cấu trúc hình học đầu tiên được chiếu lên “mặt phẳng ngang” – một mặt phẳng song song với mặt phẳng tái cấu trúc, đi qua giao điểm của tâm chùm tia và mặt phẳng đầu dò. Sau đó hình ảnh chiếu này được dịch một khoảng tùy thuộc vào vị trí của mặt phẳng được tái cấu trúc, bình thường hóa với độ phóng đại của mặt phẳng isocenter. Tất cả các hình ảnh được cộng thêm, để tạo ra hình ảnh với kích thước biến đổi của mặt phẳng quan