Những cơ sở vật lý của chẩn đoán hình ảnh trong y tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I ĐỀ TÀI Những cơ sở vật lý của chẩn đoán hình ảnh trong y tế Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thái Hà Sinh viên Trần Huy Long MSSV 20132411 Lớp ĐTTT 06 K58 Hà Nội, 12017 Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế lời giới thiệu Edwin L Dove Biomedical Engineering The University of Iowa Mục lục Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế Lời giới thiệu 2 1 Lời giới thiệu 2 2 Phương pháp chụp X Quang 7 2 1 Lịch sử phát tr.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

-

BÁO CÁO CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I

ĐỀ TÀI: Những cơ sở vật lý của chẩn đoán hình ảnh trong y tế

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Hà

Sinh viên : Trần Huy Long

MSSV : 20132411

Lớp : ĐTTT 06-K58

Hà Nội, 1/2017

Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế - lời giới thiệu

Edwin L.Dove Biomedical Engineering The University of Iowa

Mục lục

Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế - Lời giới thiệu……… … 2

1 Lời giới thiệu……… 2

2 Phương pháp chụp X-Quang… ……….7

2.1 Lịch sử phát triển……… 7

2.2 Những cơ sở vật lý của X-Quang……… 9

2.3 Giới thiệu, tóm tắt tổng quan về cấu trúc nguyên tử……… 12

3 Sự tác động của tia X và các vấn đề trong y tế……….……….14

3.1 Tán xạ coherent………

14 3.2 Phân rã photon……… ……… 15

3.3 Hiệu ứng quang điện………

……… 15

3.4 Tán xạ Compton……… ………17

3.5 Hiệu ứng tạo cặp……….19

3.6 Tóm tắt……….………

19 4 Liều chiếu và phơi nhiễm……… …20

4.1 Liều tương đương… ………

………… 21

4.2 Liều tối đa……… ……….…….22

4.3 Liều môi trường……… 23

4.4 Liều toàn thân……… 23

5 Tài liệu tham khảo……… ………24

Nguyên lý tạo ảnh y tế bắt nguồn từ khả năng tương tác giữa năng lượng và các môtrong cơ thể Năng lượng có thể là bức xạ, từ trường, điện trường hoặc sóng siêu âm.Năng lượng thường tương tác ở mức độ phân tử hay nguyên tử do đó có sự hiểu biết rõràng về cấu trúc của nguyên tử là rất cần thiết Ngoài sự hiểu biết về đặc tính vật lý củanguyên tử thì việc học về các thuật ngữ tạo ảnh cũng rất cần thiết Ví dụ :

 Ảnh cắt lớp: là một hình ảnh tạo thành bởi tập hợp các hình chiếu mặt cắt ngang

Từ tomo trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là cắt

 CT : chụp cắt lớp vi tính

 MR hoặc MRI : chụp cộng hưởng từ Công nghệ này đầu tiên được gọi là cộnghưởng từ hạt nhân (NMR) nhưng vấn đề hạt nhân là thứ mà các bệnh nhân cảmthấy rất lo sợ vì vậy chữ “N” đã được lược bỏ đi

 PET : chụp cắt lớp phát xạ

 SPECT : máy xạ hình

 Siêu âm : tái tạo hình ảnh y tế bằng cách thu nhận sóng âm phản xạ từ cơ thể

 OCT : chụp cắt lớp quang học Thu ảnh bằng cách sử dụng ánh sáng hồng ngoại.Mỗi phương pháp là một cách thức để lấy được ảnh MR, CT, vv tất cả đều là cácphương pháp tạo ảnh trong y tế Các phương pháp đó được phân loại dựa vào lượng nănglượng tương tác với cơ thể Ví dụ, phương pháp chụp X-Quang tạo ra năng lượng để ionhóa các nguyên tử (nghĩa là đẩy electron ra khỏi hạt nhân của nguyên tử) do đó tạo ra 1photon tác động đến các mô trong cơ thể Các phương pháp gây bức xạ ion hóa là X-Quang, CT, PET và SPECT Các phương pháp không bức xạ gồm siêu âm và chụp cộnghưởng từ

Có hệ thống phân loại khác cũng được sử dụng để phân loại các phương pháp chẩnđoán hình ảnh hiện đại Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã xem xét đến 4 cách thức để tạo ảnh

y tế : tính toán độ suy giảm tia X đi qua cơ thể, thu tín hiệu phát xạ hạt nhân từ cơ thể,cộng hưởng từ và siêu âm Mỗi phương pháp mô tả một kiểu tín hiệu khác nhau thu được.Bảng 1.1 so sánh 4 kỹ thuật tạo ảnh y tế

Chụp cắt lớp điện toán Sự suy giảm phóng xạ tia X khi đi qua các tổ chức của

cơ thểChụp cắt lớp phát xạ Mật độ tập trung của các nguyên tử phóng xạ tại các

vùng của cơ thểCộng hưởng từ Sự tập trung, của các nguyên tử hydro tại các vùng

khác nhau của cơ thểSiêu âm Sự chênh lệch ,thay đổi, suy giảm vận tốc âm thanh

phản hồi từ cơ thể

Bảng 1.1 mô tả những phương pháp chính trong tạo ảnh y tế Một số phương pháp tạo ảnh y tế hiện đại (PET, CT và MR) yêu cầu bệnh nhân phải được đưa vào 1 hệ thống có dạng đường ốngtròn Đối với 1 số người, đây là một khó khăn do tình trạng bệnh lý, sợ nơi chật hẹp hoặc một sốnguyên nhân khác Phương pháp siêu âm thì chỉ cần có 1 đầu dò đơn giản được tì lên da của bệnh nhân

Hình 1-1 các phương pháp tạo ảnh chủ yếu trong y tế

Hình 1-2 PET quét 1 khối u não (Nguồn : Trang web bộ phận hạt nhân Y Tế trường Harvard) Một ví dụ về phương pháp chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT)

Hình 1-3 hàng 3-ảnh SPECT của 1 khối u não(Nguồn : Trang web bộ phận hạt nhân Y Tế trường Harvard)

Hình 1-4 sơ đồ cầu tạo của 1 máy chụp cộng hưởng từ MRI

Hình 1-5 chụp khớp gối bằng phương pháp cộng hưởng từ MRI

Tối thứ 6 ngày 8 tháng 11 năm 1895 Wilhelm Conrad Röntgen (có tài liệu viết là Roentgen)

đã phát hiện ra một loại tia mới có khả năng đâm xuyên qua các loại vật chất Röntgen làmột giáo sư vật lý 50 tuổi của đại họa Julius Maximilian tại Wuburg đã đặt tên loại tia mới

đó là tia X (“X” có nghĩa là chưa biết) Sự tồn tại của tia X mà Röntgen tìm ra đã đượcHermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz dự đoán từ trước dựa trên những nghiên cứu củaông về lý thuyết bức xạ điện từ của Maxwell Phát hiện của Röntgen đã được gửi đi vàongày 28 tháng 12 năm 1895 và được công bố vào ngày 5 tháng 1 năm 1896 Một thiết bịchụp X-Quang di động đã được lắp đặt trong các cửa hàng Sears vào cuối năm 1896 Chi phímỗi lần chụp lúc đó là 15 dollar

Hình 2-1 hình ảnh X-Quang bàn tay của bà Röntgen đeo chiếc nhẫn cưới được chụp vào năm 1895

Năm 1901, Röntgen nhận giải Nobel vật lý, đó là giải Nobel vật lý đầu tiên được trao tặng.Không may, cả Röntgen,vợ ông và những người làm việc trong phòng thí nghiệm của ôngđều mất sớm do căn bệnh ung thư

Tia X được ứng dụng vào y tế lần đầu tiên vào ngày 13 tháng 1 năm 1896 bởi tiến sĩRatcliffe và Hall-Edwards Trong lần đó, họ đã xác định được vị trí của một chiếc kim nhỏtrong bàn tay của một người phụ nữ Như là một hệ quả, bác sĩ J.H.Clayton đã thực hiện caphẫu thuật đầu tiên dựa trên những chẩn đoán X-Quang vào ngày thứ 9 sau khi sự tồn tại củatia X được công bố

Cũng trong năm 1896, Randolph Hearst (chủ của nhà xuất bản nổi tiếng Hearst) đã đưa ramột thách thức đối với các nhà khoa học đó là chụp lại được những hình cảnh của vỏ não.Nhiều người đã cố gắng thử nghiệm những phương pháp giúp nâng cao chất lượng hình ảnhX-Quang được đưa ra nhưng tất cả đều thất bại Ví dụ như việc bơm không khí vào cáckhoang chất lỏng bên trong não Các đối tượng thí nghiệm xác nhận rằng không có bất kì sự

khó chịu nào (vì bộ não không có thụ thể cảm nhận sự đau) dù vậy họ vẫn có những bấtthường về tâm trạng, hành vi và nhận thức.

Allan Macleod Cormack (Đại học Tufts) và Godfrey Newbold Hounsfield (phòng thí nghiệmnghiên cứu của EMI, Ltd) đã phát triển những thuật toán cần thiết và chế tạo ra máy CT đầutiên (1972) và đã có thể lấy được hình ảnh của vỏ não Chiếc máy CT đầu tiên này có thểtính toán, xử lý và đưa ra hình ảnh chụp CT sau 24 giờ Cormack và Hounsfield đã nhận giảiNobel Sinh Học và Y Tế vào năm 1979 Cần lưu ý rằng Hounsfield chưa bao giờ tuyên bốrăng mình đã phát minh ra máy CT Những nghiên cứu đầu tiên đã được công bố vào năm

1917 bởi Radon

2.2 Những cơ sở vật lý của X-Quang

Tia X là một dạng của sóng điện từ tương tự như ánh sáng, sóng radio, sóng truyền hình, vv Bảng 2.1 cho ta thấy một số thành phần của quang phổ sóng điện từ như bước sóng, tần số,năng lượng và ứng dụng

Bảng 2.1 các thông số của các loại sóng điện từ

Bảng 2.2 phổ năng lượng của các loại sóng điện từ

Công thức liên hệ giữa tần số và năng lượng của sóng điện từ

E = hf (2.1)

Trong đó E là năng lượng có đơn vị là KeV, h là hằng số (h = 4.13x10-18 KeV = 6.63x10-34 J)

và f là tần số (Hz) (1KeV = 1.6x10-19 J) Trong chân không, tất cả các loại sóng điện từ đềulan truyền với cùng 1 tốc độ bằng tốc độ ánh sáng (c = 3x108 m/s)

Mối quan hệ giữa bước sóng và tần số được cho bởi công thức :

c = λf (2.2)trong đó λ là bước sóng (đơn vị : m)

Tia X cũng có đặc tính hạt Đây là 1 ví dụ tuyệt vời về tính 2 mặt của vật chất, vừa mạng đặctính của hạt vừa mang đặc tính của sóng Đây là kết luận được rút ra từ phương trình nổitiếng của Einstein : E = mc2 Nếu xem như một loại hạt thì hạt tia X chuyển động với vận tốc

v và có khối lượng m thì động lượng của nó được tính theo công thức :

P = mv = mc = E/c = hf / λf = h / λ (2.3)Những hạt tia X được gọi là photon, photon là lượng tử của ánh sáng Nếu năng lượng củahạt lớn hơn 2-3 eV thì các photon đó có khả năng ion hóa các nguyên tử Bức xạ chẩn đoán

có bước sóng trong khoảng 100nm đến khoảng 0.01 nm hoặc từ 12 eV đến 125 KeV Để phá

vỡ một liên kết hóa học, năng lượng cần thiết nằm trong khoảng 2-10 Ev, có thể thực hiệnđược bởi sóng điện từ trong vùng tử ngoại hoặc cao hơn Tia cực tím phá vỡ những liên kếttrong mô (ion hóa mô) do đó nó có thể là mối nguy hại cho sức khỏe Nếu phá vỡ liên kếthóa học trên DNA thì có thể gây ung thư da

Các nguồn năng lượng điện từ dưới mức cực tím không thể phá vỡ liên kết hóa học hoặc cácion Mối nguy hiểm nhất từ các photon năng lượng thấp là đốt cháy các mô

Một thí nghiệm kinh điển cho thấy tính hai mặt của năng lượng điện từ là thí nghiệm kheđôi Trong thí nghiệm khe đôi, một chùm ánh sáng được bắn qua hai khe hở sát nhau trênmàn chắn Trên màn hình phía sau xuất hiện những vân sáng tối xen kẽ nhau Hiện tượngnày là giao thoa Giao thoa là bằng chứng cho thấy tính sóng của ánh sáng

Hình 2-3 Thí nghiệm khe đôi thể hiện tính chất sóng-hạt của photon và electron

Hình 2-4 Kết quả của thí nghiệm khe đôi khi cả hai khe đều mở

Kết quả của thí nghiệm khe đôi giống nhau nếu thay các electron được sử dụng bằng bức xạđiện từ Do đó các electron có cả tính chất hạt và tính sóng chỉ là các bức xạ điện từ Tính

2.3 Giới thiệu tóm tắt tổng quan về cấu trúc nguyên tử

 Ba hạt cơ bản của một nguyên tử là proton, neutron và electron Tất nhiên vẫn cònmột số hạt nhỏ hơn nhưng nghiên cứu về các hạt đó sẽ giành cho các nhà vật lý hạnguyên tử

 Các electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương và neutron không mangđiện

 Nếu nhân có quá ít neutron thì hạt nhân sẽ không ổn định và sụp đổ Nếu các hạt nhânquá lớn hoặc có quá nhiều proton và neutron thì hạt nhân cũng không ổn định Cácnguyên tử có nguyên tử khối lớn hơn chì (Pb = 208) đều không có đồng vị ổn định

 Số lượng proton chính là số hiệu nguyên tử Hidro có 1 proton nên số hiệu nguyên tửcủa nó bằng 1

 Một nguyên tử phải có số lượng proton và electron bằng nhau Nếu nguyên tử bị mấthay nhận thêm electron thì nó được gọi là một ion

 Khối lượng của proton và neutron gần như bằng nhau, khối lượng nghỉ của electronrất nhỏ Vì vậy khối lượng của một nguyên tử được định nghĩa là khối lượng củaproton cộng với khối lượng của neutron

 Đám mây electron xung quanh hạt nhân xác định vùng không gian bị chiếm bởi 1nguyên tử

 Các electron được giới hạn trong một quỹ đạo xác định gọi là các phân lớp electron

 Mỗi phân lớp có một mức năng lượng khác nhau

 Wolfgang Pauli (1921) đã trình bày lại mô hình Bohr về lý thuyết lượng tử Pauli quansát thấy rằng một nguyên tử được quy định bởi bố hệ số lượng tử :

 N là số lớp mô tả các mức năng lượng trong nguyên tử (N = 1,2,3,…7)

 L là số phân lớp mô tả các lớp phụ trong n, các phân lớp đã biết là s-p-d-f

 M1 là số lượng tử từ mô tả orbital bên trong 1 phân lớp

 Ms là số lượng tử spin mô tả spin của các electron

Theo nguyên lý loại trừ Pauli, không có 2 electron trong một nguyên tử có thể

có cùng tập hợp các hệ số lượng tử

 Năng lượng mà chúng ta quan tâm là năng lượng liên kết của các electron trong mỗimức năng lượng Chỉ số này sẽ cho ta biết cần cung cấp một năng lượng tối thiểu baonhiêu để có thể đánh bật electron của lớp nào đó ra khỏi nguyên tử Năng lượng liênkết của điện tử rất cao thường vào khoảng 1-100 KeV Vì thế trong các loại sóng điện

từ thì tia X trở đi mới đủ để thay đổi cấu trúc điện tử của nguyên tử Như một ví dụ,với các sóng có bước sóng λ = 1nm thì chúng ta cần tính toán năng lượng của nó

E = hf = (4.13x10-18 keV.s)( ) = 1.2 KeVNếu năng lượng của nó vượt qua 1-2 KeV thì sóng đó được xem là một sóng có tínhion hóa và có khả năng gây nguy hại tới sức khỏe con người

 Các loại sóng điện từ kể từ tia X trở đi có khả năng ion hóa nguyên tử X-Quang là 1bức xạ ion hóa, bức xạ này có thể làm thay đổi các liên kết hóa học của các chất quantrọng chẳng hạn như DNA Tia X dùng trong chẩn đoán thường có bước sóng từ 100-0.01 nm hoặc năng lượng từ 12 Kev đến 125 KeV

 Những loại sóng điện từ có năng lượng cao hơn cũng có khả năng phá vỡ cấu trúcnguyên tử Tia garma cung cấp đủ năng lượng để ion hóa nguyên tử và còn có khảnăng biến đổi nguyên tử thành một nguyên tử khác

 Sóng vô tuyến điện không đủ năng lượng để phá vỡ cấu trúc nguyên tử Thay vào đó,tần số của sóng vô tuyến tương tác với các spin của electron Tính chất này được ápdụng trong kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ

3 Sự tác động của tia X và các vấn đề trong y tế

Có nhiều chế độ tương tác của tia X với vật chất Đây là nhiều hơn chỉ là một sự tò mò điqua, các nghiên cứu về sự tương tác của tia X là rất quan trọng để tìm hiểu về sự tạo ảnh

y tế và trong việc tìm hiểu cách thức hoạt động của tia X Cho đến nay có 5 chế độ tươngtác của tia X :

Các chế độ tương tác được xác định bởi năng lượng của các photon Đây là một quá trìnhngẫu nhiên và có thể được mô tả đầy đủ bằng cách thống kê.

3.1 Tán xạ cohenrent

Tán xạ cohenrent mô tả sự va chạm của một điện tử với một electron là cho điện tử bịlệch sang một hướng mới, photon chỉ bị thay đổi hướng di chuyển chứ không bị mất nănglượng nên hao tổn năng lượng do tán xạ cohenrent là rất ít Đây không phải là một tươngtác ion hóa

Tán xạ cohenrent có ít tác dụng trong tạo ảnh y tế Ngoại trừ I125 được ứng dụng trongquét xạ tuyến giáp

3.2 Sự phân rã photon

Đây là một sản phẩm của quá trình phản ứng hạt nhân Các photon tương tác hoặc bị hấpthụ bởi hạt nhân của nguyên tử trong tấm đích, đưa nguyên tử này vào trạng thái kíchthích và ngay lập tức phân rã tạo thành một hoặc nhiều hạt hạ nguyên tử Điều này làmcho nguyên tử đó chuyển thành một nguyên tử khác, sự phân rã này rất nguy hại đến sứckhỏe con người Tương tác này có thể xảy ra nếu năng lượng của photon đến rất lớn (> 1MeV)

3.3 Hiệu ứng quang điện

Albert Enstein đã đạt giải Nobel vật lý vì đã khám phá ra được định luật của hiệu ứngquang điện Những lý luận của Enstein phù hợp với những mô tả chi tiết về mối quan hệgiữa năng lượng, tần số, tính chất hạt và tính chất sóng mà chúng ta đã biết cho đến thờiđiểm hiện tại Tóm lại, theo như lý thuyết lượng tử, bức xạ điện từ được lượng tử hóa gọi

là các photon Mỗi photon có một mức năng lượng E phụ thuộc vào tần số f Mối quan hệ giữa năng lượng và tần số E = hf giống như trong phương trình (2.1) ở trên.

Một photon có một và chỉ một tần số (do đó có một và chỉ một mức năng lượng) và cóthể tương tác với một và chỉ một electron Một photon không thể chia sẻ năng lượng vớimột vài electron Một photon di chuyển với tốc độ ánh sáng và thuyết tương đối dự đoánrằng nó không bao giờ ở trạng thái nghỉ tức là năng lượng của chúng hoàn toàn là độngnăng Nếu một photon tương tác với một electron thì nó có thể truyền năng lượng choelectron và biến mất Nếu năng lượng liên kết của electron đó với hạt nhân mà bé hơnnăng lượng electron nhận được từ photon thì các electron có thể tách ra khỏi nguyên tử

và trở thành các quang điện tử Năng lượng của quang điện tử này phụ thuộc vào nănglượng nhận được từ photon tới

Điều gì sẽ xảy ra khi electron bị bắn phá liên kết với 1 nguyên tử ? Nếu photon tới cómức năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng liên kết của electron của lớp K củanguyên tử thì photon tới sẽ đánh bật một trong những electron ở lớp K ra khỏi nguyên tử.Sau đó các electron có mức năng cao hơn sẽ nhảy vào thế chỗ cho electron vừa thoát ra

Để một electron có mức năng lượng cao nhảy vào thế chỗ cho một electron có mức nănglượng thấp hơn thì nó phải giải phóng năng lượng Quá trình này tạo thành những khoảngtrống ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử Năng lượng được giải phóng ra bởi quá trình nàyđược gọi là năng lượng đặc trưng của bức xạ, bức xạ này được gọi là bức xạ đặc trưng

Hình 3-1 Mô tả hiệu ứng quang điện