Đo các kích thước hộp sọ dựa trên hệ thống điểm tham chiếu chuẩn và so sánh kích thước giữa hai nhóm khỏe mạnh và bị hội chứng rượu thai nhi trên chuột sử dụng ảnh cắt lớp điện toán

Trong luận văn này, tác giả trình bày kiến thức chung về ảnh chụp cắt lớp điện toán CT, cắt lớp điện toán vi mô micro CT, đồng thời áp dụng các kiến thức đó cùng với phương pháp landmark

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đo các kích thước hộp sọ dựa trên hệ

kích thước giữa hai nhóm khoẻ mạnh và bị

TRUNG.ND2022M@sis.hust.edu.vn

Ngành K ỹ thuật Y sinh

Gi ảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thu Vân

HÀ N ỘI, 2023

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đo các kích thước hộp sọ dựa trên hệ

kích thước giữa hai nhóm khoẻ mạnh và bị

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

B ẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

H ọ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Đức Trung

Đề tài luận văn: Đo các kích thước hộp sọ dựa trên hệ thống điểm tham chiếu chuẩn

và so sánh kích thước giữa hai nhóm khoẻ mạnh và bị hội chứng rượu thai nhi trên chuột sử dụng ảnh cắt lớp điện toán

Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh

Mã s ố SV: 20202766M

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã

sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/04/2023 với các nội dung sau:

- Đã chỉnh sửa lỗi chính tả tên đề tài trong luận văn đúng với tên đề tài trong quyết định bảo vệ

- Đã chỉnh sửa các lỗi chính tả, cụm từ phù hợp sử dụng trong luận văn

- Đã chỉnh sửa và làm rõ hơn các chú thích của các hình vẽ

- Đã chỉnh sửa, trình bày lại luận văn theo đúng form mẫu và quy định

- Đã chỉnh sửa trình bày các tài liệu tham khảo đúng theo quy định

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn cô TS Nguy ễn Thu Vân

đã hướng dẫn, hỗ trợ và động viên tôi trong quá trình thực hiện đề tài này Cô đã dành nhiều thời gian và tâm huyết để giúp tôi hoàn thành nghiên cứu này Những

kiến thức và kinh nghiệm quý báu mà cô chia sẻ đã giúp tôi nắm bắt được nhiều thông tin hữu ích và tiếp cận với phương pháp nghiên cứu đề tài dễ dàng hơn

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến các chuyên gia, các nhà nghiên cứu, các

cơ quan và tổ chức có liên quan đến đề tài nghiên cứu của tôi đã cung cấp những tài liệu và thông tin quý báu giúp tôi tiến hành nghiên cứu một cách chính xác và

hiệu quả hơn

Ngoài ra, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân yêu đã động viên, hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình một cách hoàn thiện nhất

Hà N ội, ngày tháng năm 2023

Tác gi ả

Nguy ễn Đức Trung

Tóm t ắt nội dung luận văn

Luận văn "Đo các kích thước hộp sọ dựa trên hệ thống điểm tham chiếu chuẩn và so sánh kích thước giữa hai nhóm khoẻ mạnh và bị hội chứng rượu thai nhi trên chuột sử dụng ảnh cắt lớp điện toán" tập trung vào nghiên cứu về việc sử

dụng phương pháp đo kích thước hộp sọ trên chuột bằng ảnh cắt lớp điện toán CT

và đối chiếu kích thước giữa hai nhóm chuột: nhóm chuột khoẻ mạnh và nhóm chuột bị hội chứng rượu thai nhi Trong luận văn này, tác giả trình bày kiến thức chung về ảnh chụp cắt lớp điện toán CT, cắt lớp điện toán vi mô micro CT, đồng

thời áp dụng các kiến thức đó cùng với phương pháp landmark trong micro CT và

thực hiện xử lý số liệu để đạt được kết quả đo kích thước các điểm tham chiếu trên

hộp sọ chuột nghiên cứu

Bước đầu tiên trong nghiên cứu này là tiến hành thu thập ảnh CT của hộp

sọ chuột từ hai nhóm, nhóm chuột khoẻ mạnh và nhóm chuột bị hội chứng rượu thai nhi Sau đó, tác giả đã sử dụng phương pháp landmark để xác định các điểm tham chiếu trên hộp sọ Các điểm tham chiếu này được xác định một cách chính xác và đồng nhất dựa trên các công cụ xử lý ảnh CT và micro CT chuyên nghiệp

để đảm bảo tính nhất quán và đáng tin cậy của kết quả đo lường

Tiếp theo, tác giả đã thực hiện xử lý số liệu từ các điểm tham chiếu để tính toán kích thước của hộp sọ ở cả hai nhóm chuột Kết quả cho thấy có một số sự khác biệt đáng kể về các kích thước khoảng các hộp sọ giữa hai nhóm Đặc biệt, nhóm chuột bị hội chứng rượu thai nhi có một số kích thước hộp sọ lớn hơn so với nhóm chuột khoẻ mạnh Điều này cho thấy rằng ảnh hưởng của hội chứng rượu thai nhi theo liều lượng và trong giai đoạn thai kỳ mà nghiên cứu tập trung vào có

thể ảnh hưởng đến sự phát triển và kích thước của hộp sọ

Để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả, tác giả đã sử dụng phương pháp kiểm định t-Test để thống kê và phân tích dữ liệu Kết quả kiểm định cho thấy có sự khác biệt có ý nghĩa về kích thước hộp sọ giữa hai nhóm chuột (p-value < 0.05), chứng minh rằng hội chứng rượu thai nhi gây ra sự biến đổi kích thước hộp sọ Nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về các tác động của hội chứng rượu thai nhi đến sự phát triển của sọ não Nó cũng cung cấp

một cách tiếp cận mới để đo kích thước hộp sọ và phân tích bệnh lý não sử dụng toán ảnh cắt lớp Kết quả này có thể góp phần quan trọng vào việc hiểu sâu hơn về ảnh hưởng của rượu thai nhi đến phát triển hộp sọ và cung cấp cơ sở khoa học cho

việc nghiên cứu và xử lý các vấn đề liên quan đến hội chứng rượu thai nhi ở con người

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

M ỤC LỤC

DANH M ỤC HÌNH VẼ iv

DANH M ỤC BẢNG BIỂU vii

DANH M ỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KIẾN THỨC CHUNG VỀ HỆ THỐNG CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN VÀ T ẠO ẢNH CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN 2

1.1 Tổng quan về hệ thống chụp cắt lớp điện toán 2

1.1.1 Lịch sử phát triển của CT 2

1.1.2 Nguyên lý tạo ảnh CT 4

1.1.3 Các thế hệ máy chụp cắt lớp điện toán 9

1.2 Cấu tạo hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán 15

1.2.1 Giàn quay 17

1.2.2 Bàn bệnh nhân 27

1.2.3 Hệ thống máy tính 28

1.2.4 Hệ thống tạo và điều khiển nguồn cao áp 29

1.2.5 Bàn điều khiển 30

1.3 Quy trình tạo ảnh CT và các thông tin ảnh CT đem lại 30

1.3.1 Tái tạo ảnh từ các hình chiều 30

1.3.2 Đặc điểm ảnh CT và các thông tin mà ảnh CT đem lại 33

1.4 Kết chương 35

CHƯƠNG 2 CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN VI MÔ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘNG VẬT CÓ KÍCH THƯỚC NHỎ 37

2.1 Công nghệ Micro-CT 37

2.2 Các phương pháp phổ biến được sử dụng trong phân tích dữ liệu từ ảnh micro-CT 44

2.3 Kết chương 51

CHƯƠNG 3 THU NHẬN VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU ẢNH MICRO-CT VỚI ĐỐI TƯỢNG CHUỘT Ở TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP LANDMARK ĐỂ SO SÁNH CÁC KÍCH THƯỚC GIỮA HAI NHÓM KHO Ẻ MẠNH VÀ BỊ HỘI CHỨNG RƯỢU THAI NHI TRÊN CHU ỘT… 52

3.1 Đặt vấn đề 52

3.1.1 Hội chứng rối loạn phổ rượu thai nhi - Fetal Alcohol Spectrum Disorders (FASD) 52

3.1.2 Góc nhìn về các nghiên cứu FASD trước đây ở người và ở động vật 54

3.1.3 Tính cấp thiết khi của đề tài và quyết định xây dựng thí nghiệm 56

3.2 Thiết kế thí nghiệm và thu nhận dữ liệu 58

3.2.1 Thiết kế thí nghiệm 58

3.3 Thu nhận và xử lý dữ liệu 61

3.3.1 Tiền xử lý dữ liệu 61

3.3.2 Xử lý bằng phương pháp Landmark 63

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 73

4.1 Kết quả 73

4.2 Thảo luận và hướng phát triển của đề tài 76

4.2.1 Thảo luận 76

4.2.2 Hướng phát triển của đề tài 77

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 79

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Máy chụp cắt lớp điện toán siememns somatom 2

Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống máy ct 5

Hình 1-3: Đầu do khí xenon 6

Hình 1-4: Đầu dò bán dẫn 6

Hình 1-5: Một số góc thu chính của máy ct 7

Hình 1-6: Máy ct thế hệ thứ nhất: chùm tia hình bút chì, chuyển động tịnh tiến quay 9

Hình 1-7: Máy ct thế hệ thứ 2 với chùm tia hình rẻ quạt, đầu dò mảng, chuyển động kết hợp tịnh tiến quay 10

Hình 1-8: Máy ct với chùm tia rẻ quạt đầu dò mảng vòng cung, chuyển động quay - quay 11

Hình 1-9: Nhiễu vòng xuất hiện ở máy ct thế hệ thứ 3 12

Hình 1-10: Máy ct thế hệ thứ tư: chùm tia rẻ quạt, đầu dò là một cung tròn chuyển động quay - cố định 12

Hình 1-11: Máy ct sử dụng chùm electron, lái tia bằng điện tử 13

Hình 1-12: Mặt cắt dọc máy ct dùng chùm electron 13

Hình 1-13: Mặt cắt ngang máy ct dùng chùm electron 14

Hình 1-14: Máy ct xoắn ốc 14

Hình 1-15: Máy ct với đầu dò đa mảng 15

Hình 1-16: Hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán thực tế 16

Hình 1-17: Mô hình hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán 16

Hình 1-18: Bên trong giàn quay của máy chụp cắt lớp điện toán 18

Hình 1-19: Hai loại vòng trượt hình đĩa và hình trụ 20

Hình 1-20: Hai phương thức tiếp điện vòng trượt 20

Hình 1-21: Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của 1 ống tia x 21

Hình 1-22: Bộ chuẩn trực trước bệnh nhân đặt kèm ống tia x 22

Hinh 1-23: Hai loại lưới chuẩn trực sau bệnh nhan post-patient 23

Hình 1-24: Mảng đầu dò 26

Hình 1-25: Sơ đồ khối hệ thống tích luỹ dữ liệu das 27

Hình 1-26: Bàn bệnh nhân và giàn quay 28

Hình 1-28: Mô hình nguồn cao thế của máy chụp cắt lớp vi tính 29

Hình 1-29: Mô hình vật lý của hệ thống x-quang 31

Hình 1-30: Mô hình mô hình các thuật toán tái tạo trong ct scanner 32

Hình 1-31: Kết quả của phương pháp chiếu lại: a single angle, b shows the effect of backprojecting over 4 angles, (c)shows 64 angles, and (d)shows 512 angles 33

Hình 2-1.a.b: Khối quyết vật thể micro ct 39

Hình 2-2: Hình ảnh mô tả phương pháp phân tích đặc trưng hình học trong xử lý dữ liệu ảnh micro ct 45 Hình 2-3: Mô tả phương pháp đặc trưng cấu trúc trong phân tích cấu trúc thành phần trong xương giữa giống chuột đực và chuột cái thay đổi theo độ tuổi 46

Hình 2-4: Tập hợp các điểm landmark (các điểm chấm đỏ) và khoảng cách tuyến tính giữa các điểm trong tập hợp dưới 3 góc chiếu sagittal coronal và axial của mẫu vật sọ loài cóc được tái tạo và hiển thị 3d bằng phần mềm tina-landmark 47 Hình 2-5: Sự bảo tồn tiến hoá thể hiện trong so sánh phân tích hình thái học giải phẫu hộp sọ giữa loài gặm nhấm và loại linh trưởng – các mảng xương hộp

sọ [4] 48 Hình 2-6: Bước chuẩn bị dữ liệu hình ảnh và lựa chọn các điểm landmark định đánh dấu trên ảnh micro-ct của mẫu vật nghiên cứu 49 Hình 2-7: Đánh dấu những điểm landmark đã xác định trên ảnh trên ảnh micro-ct của mẫu vật nghiên cứu [4] 50 Hình 2-8: Phân tích tính chất hình thái học của mẫu: khoảng cách, hình dang, góc

… giữa các điểm landmark đã xác định và đánh dấu [4] 50 Hình 3-1: Hình thái khuân mặt đặc trưng của fas 53 Hình 3-2: Sự hợp nhất bất thường của xương captitae và xương hamate (dấu *) ở

cổ tay do hội chứng fasd [10] 53 Hình 3-3: Nghiên cứu fasd ở động vật [11] 55 Hình 3-4: Hình thái học xương sọ não trước và sau khi sinh ra [13] 56 Hình 3-5: Liều lượng trung bình của etanol và nước được tiêu thụ bởi nhóm control

và nhóm tiếp xúc ethanol(a).khối lượng tăng trung bình của nhóm control và nhóm tiêu xúc ethano l(b) trong giai đoạn từ gd0 đến gd8 59 Hình 3-6: Trọng lượng cơ thể trung bình của con non ở p28 và p80 của hai nhóm control và nhóm tiếp xúc ethanol [18] 60 Hình 3-7: Máy quét inveon – siemens dùng trong cho thí nghiệm 61 Hình 3-8: Source mã code được tác giả sử dụng để loại bỏ ngưỡng cường độ dưới 95% được nhúng vào phần mềm 3d slicer 62 Hình 3-9: Ảnh trước và sau khi crop và lấy ngưỡng intensity 95% 62 Hình 3-10: Minh hoạ các điểm tham chiếu landmark tương đồng về hình thái học

giải phẫu giữa sọ não người và loài chuột 1 - lỗ mũi (naris): đây là điểm trên

bề mặt của sọ não, nơi không có xương vây mũi hoặc lợi bao phủ 2 - pari - giao điểm của xương đỉnh với mặt trước của xương đỉnh giữa ở trung tâm 63 Hình 3-11: Bộ 53 điểm tham tham chiếu landmark sọ não chuột của richtsmeier laboratory thuộc đại học penn state [19] 64 Hình 3-12 (a): Các điểm landmark được sử dụng trong đề tài 66 Hình 3-13ab: điểm landmark -f32 – paro được xác định bằng phần mềm 3d slicer;

hình ảnh điểm chọn f32 – paro hiển thị trực quan tái tạo 3d và theo 3 hướng

cắt axial – hình a, coronal – hình b , sagittal – hình c trên giao diện phần mềm 67 Hình 3-14: Toạ độ điểm landmark f32 – paro theo hướng mặt cắt axial hiển thị

trên phần mềm 3d slicer 68 Hình 3-15: Mô tả khoảng cách cần thực hiện đo giữa các điểm landmark của một

mẫu chuột thuộc nhóm control Các khoảng cách được biểu thị lần lượt bằng các chữ cái in hoa a;b;c;d;e;f;g;x;y;z;t;k;o;p 70

Hình 3-16 Hình 3-17: Source mã code python mà tác giả sử dụng để tính khoảng cách giữa 2 điểm landmark bất kỳ được nhúng vào phần mềm 3d slicer 71 Hình 3-18: Kết quả của phép đo khoảng cách giữa hai điểm f32=(109;47;479) và f34=(115;80;79) hiển thị trên giao diện phần mềm 3d slicer 72 Hình 4-1: Biểu đồ thể hiện sự so sánh thể tích não giữa hai nhóm control và nhóm pee ở p28 và p80 trong nghiên cứu [1] 73

Đồ thị 4-2: Kích thước khoảng cách giữa các cặp điểm landmark tương ứng hộp

sọ nhóm pee lớn hơn nhóm control Kiểm định t-test với p≤ 0.05, nc=6, npee=17 Dữ liệu thể hiện dưới dạng trung bình mean ± sd 76

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Chỉ số ct 8

bảng 2-1: Ưu nhược điểm của các tấm nhận tia x [2] 42

bảng 3-1: Hệ thống điểm landmark được sử dụng trong đề tài 64

bảng 3-2: Toạ độ các điểm landmark theo hướng cắt axial của một mẫu thuộc nhóm control 68

bảng 3-3: Kính thước khoảng cách các điểm landmark có toạ độ tương ứng ở bảng 3.2 72

bảng 4-1: Giá trị p-value trong kiểm định t-test của các khoảng cách so sánh giữa

2 nhóm đối tượng nghiên cứu 73

bảng 4-2: kích thước trung bình của bốn cặp khoảng giữa các điểm landmark

“f34.nsl - f30.brg” ; “f27lzyt - f28.lzyt” ; “f11.lorb - f12.rolb” và “f30.brg - f33.nas” 76

DANH M ỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ARBD Alcohol Related Birth Defects Dị tật bẩm sinh liên quan đến

BEC Blood ethanol concentrations Nồng độ rượu trong máu

CNS central nervous system Hệ thần kinh trung ương

CT Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp điện toán

micro-CT Micro Computed Tomography

Scanner

Chụp cắt lớp điện toán vi mô

MRM Magnetic Resonance Microscopy Kính hiển vi từ trường

FASD Fetal Alcohol Spectrum Disorders Rối loạn phổ rượu ở thai nhi

FAS Fetal Alcohol Syndrome Hội chứng rượu bào thai

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng ảnh micro-CT để đo lường các kích thước

hộp sọ trên chuột sử dụng hệ thống điểm tham chiếu chuẩn Nghiên cứu tập trung vào việc so sánh các kích thước sọ não giữa hai nhóm chuột, bao gồm nhóm khoẻ mạnh

và nhóm bị FASD, để hiểu rõ hơn về tác động của FASD lên kích thước của hộp sọ Phương pháp sử dụng ảnh micro-CT có thể đo lường chính xác các kích thước

hộp sọ trên chuột, từ đó đưa ra những phân tích chính xác và chi tiết hơn về tác động

của FASD lên kích thước của hộp sọ Kết quả của nghiên cứu này có thể đưa ra thông tin quan trọng về tác động của FASD lên não bộ của chuột và góp phần đưa ra các khuyến nghị cho việc nghiên cứu và điều trị FASD ở con người

Đề tài tập trung vào việc xác định khoảng cách cấu trúc các kích thước hộp sọ trên chuột ứng dụng vào việc phân loại bộ dữ liệu mẫu [1], bao gồm hai nhóm: một nhóm chuột con được sinh ra từ những chuột mẹ được nuôi và cho sử dụng dung dịch

ethanol 10%v/v trong 8 ngày đầu/21 ngày thai kỳ của chuột mẹ, tương đương với 3-4 tuần đầu thai kỳ của con người; một nhóm chuột con được sinh ra từ những chuột mẹ được nuôi và không sử dụng dung dịch có chứa ethanol

Tổng hợp các vấn đề và thực tiễn nói trên tác giả quyết định lựa chọn đề tài

“Đo các kích thước hộp sọ dựa trên hệ thống điểm tham chiếu chuẩn và so sánh các kích thước giữa hai nhóm khoẻ mạnh và bị hội chứng rượu thai nhi trên chuột sử dụng ảnh cắt lớp điện toán” để góp phần giải quyết các vấn đề này

C ấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 4 nội dung chính như sau:

Chương 1: Trình bày về tổng quan hệ thống chụp cắt lớp điện toán (Computed

Tomography Scanner), quy trình tạo ảnh cũng như đặc điểm và thông tin ảnh cắt lớp điện toán đem lại

Chương 2: Cắt lớp điện toán vi mô (Micro Computed Tomography Scanner)

trong nghiên cứu động vật có kích thước nhỏ

Chương 3: Thu nhận và xử lý dữ liệu ảnh Micro-CT với đối tượng chuột ở trong

phòng thí nghiệm áp dụng các phương pháp landmark để so sánh các kích thước giữa hai nhóm khoẻ mạnh và bị hội chứng rượu thai nhi trên chuột

Chương 4: Kết quả và thảo luận – mở rộng hướng phát triển của đề tài

K ết luận: Tổng kết nghiên cứu

2

CHƯƠNG 1 KIẾN THỨC CHUNG VỀ HỆ THỐNG CHỤP CẮT LỚP

ĐIỆN TOÁN VÀ TẠO ẢNH CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN

Chụp cắt lớp điện toán là một phương pháp trong những phương pháp chụp ảnh y tế phổ biến và được sử dụng rộng rãi cho phép tạo ra hình ảnh 2D hoặc 3D

của các bộ phận trong cơ thể con người Nó sử dụng công nghệ máy tính để xử lý các tín hiệu được thu thập từ nhiều góc khác nhau, tạo ra những hình ảnh chính xác về bộ phận cần xem Những hình ảnh này cung cấp cho bác sĩ thông tin quan

trọng trong việc chẩn đoán tình trạng sức khỏe và lập kế hoạch điều trị Chương 1

của luận văn này sẽ tập trung sẽ cung cấp cho bạn đọc một cái nhìn tổng quan về

hệ thống chụp cắt lớp điện toán CT và tạo ảnh cắt lớp điện toán, một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực y tế và chẩn đoán hình ảnh

Hình 1-1: Máy ch ụp cắt lớp điện toán Siememns Somatom

1.1 T ổng quan về hệ thống chụp cắt lớp điện toán

phần tử nhỏ bé có kích thước theo không gian ba chiều và dùng pháp quy chiếu ta

sẽ thu được các kết quả mà dựa vào đó ta sẽ tái tạo được hình ảnh của vật đó Với phép qui chiếu người ta có thể truyền sóng tới vật thể, kết quả thu được là sự hấp

thụ tán xạ của nó và dựa vào đó ta có thể sử dụng hàm Randon để tái tạo được hình

phổ của từng miền trên mặt trời

Năm 1961, Olendorf người Đức đã bước một bước tiến dài trong lĩnh vực này, ông sử dụng tia gamma của đồng vị phóng xạ I=131 với detector tái tạo được ảnh của một vật thể đơn giản

Vào các năm 1963, 1964 với nhêìu sự cố gắng để cải thiện chất lượng ảnh Allan MacLeod Cormack một nhà toán học người Nam Mĩ là người đầu tiên đã

mô tả một phương pháp chụp cắt lớp X quang, hoàn toàn đúng với phương pháp CT: nhờ phương pháp này có thể tạo ảnh một lớp cắt từ nhiều mặt cắt chéo xác định bởi kĩ thuật chụp X quang

Năm 1967, G.Hounsfield một nhà khoa học người Anh đã bắt đầu tiến hành

thực nghiệm cơ sở trên máy quét sọ não EMI

Năm 1970, khởi đầu sản xuất thử máy quét sọ não EMI

Năm 1971, Lắp đặt mẫu máy quét sọ não EMI đầu tiên tại bệnh viện Atkinson

Tháng 4 năm 1972, lắp đặt máy cắt lớp sọ não tại bệnh viện Mayo và R.Sledley ( học viện George Town ) công bố về hệ thống máy chụp cắt lớp Tuy nhiên các máy thuộc giai đoạn này có tốc độ rất thấp, để có được một lớp cắt phải

mất khoảng 4 phút, và chất lượng ảnh rất kém nên chưa có nhiều tác dụng trong

Bắc Mĩ đã thu hút sự tham gia của nhiều công ty hàng đầu: EMI, viện hạt nhân Ohio, Pfizer, GE, Picker, Siemens, Artronic, Syntex, …

Giải Nobel Y học năm 1979 được trao cho GS Allan M Cormack và Godfrey N.Hounsfield vì những đóng góp của họ trong việc phát triển máy chụp cắt lớp điện toán, tạo một bước tiến mang tính cách mạng trong lĩnh vực xạ trị cũng như

chẩn đoán các bệnh thuộc hệ thần kinh Allan M Cormack là giáo sư đầu ngành

vật lý tại Viện Ðại học Tufts (bang Massachusetts-Mỹ) Ông là người đầu tiên phân tích các điều kiện để làm thấy rõ cách chụp cắt lớp đúng trong hệ thống sinh học

và công bố vào năm 1963-1964, góp phần phát triển các lý thuyết về máy vi tính

chụp cắt lớp đặt nền tảng trên việc sử dụng tia X Godfrey Hounsfield là giám đốc

bộ phận nghiên cứu công nghiệp điện và âm nhạc ở Middlesex (Anh), là người

thực hiện máy vi tính chụp cắt lớp đầu tiên sử dụng trong y học vào năm 1968

4

Bằng sáng chế được cấp năm 1972 Hệ thống của Hounsfield giúp chẩn đoán hình ảnh óc, não, tạo tiền đề giúp phát triển nhiều hệ thống máy vi tính chụp cắt lớp sau này với các cải tiến kỹ thuật giúp phân tích hình ảnh nhanh hơn

Như vậy chỉ sau hơn 30 năm (từ 1967 đến nay), từ những thử nghiệm đầu tiên, máy chụp cắt lớp điện toán đã ngày càng phát triển và hoàn thiện, trải qua 4

thế hệ, để trở thành công cụ chẩn đoán ưu việt và được đánh giá là một trong mười phát minh lớn nhất thế kỉ 20 Hiện nay đã có hàng vạn máy CT được lắp đặt và sử

dụng trên thế giới Từ máy CT thế hệ thứ nhất được xây dựng trên cơ sở dựa trên

những thực nghiệm của Hounsfield tại phòng nghiên cứu thực nghiệm của ông ở EMI và thời gian để hoàn thành một lớp cắt mất khoảng vài giờ và mất khoảng vài ngày để tái tạo lại được ảnh từ những dữ liệu thô thu được; hệ thống CT hiện nay

đã phát triển thành hệ thống CT đa lớp cắt (multi slice), với các hệ thống 4, 8, 16,

32, 64,128 và 640 lớp cắt Với hệ thống hiện đại nhất hiện nay là loại 640 lớp cắt

ta có thể tiến hành 640 lần cắt trong một vòng quay hay nói cách khác ta có thể cùng lúc nhận dữ liệu của 640 lớp cắt

Đối với hệ thống có thể cung lúc thu nhận được dữ liệu của 4 lớp cắt, thì thời gian để thu nhặn dữ liệu đối với một vòng quay vào khoảng 350 ms và tiến hành tái tạo ảnh với ma trận 512x512 từ hàng triệu điểm dữ liệu chỉ mất không đến 1 giây Có thể tiến hành quét 40 lớp cắt (mỗi lớp dày 8 mm) chỉ trong vòng từ 5s đến 10s khi sử dụng hệ thống máy CT tiên tiến (multislice CT scanner)

Hệ thống CT ngày càng được cải thiện về tốc độ quét và tái tạo ảnh lớn hơn,

tiện nghi đối với bệnh nhân và độ phân giải ảnh tốt hơn Thời gian quét của hệ

thống CT được tiến hành nhanh hơn giúp tiết kiệm thời gian Thời gian quét giảm

xuống còn giúp hạn chế được những nhiễu ảnh (artifacts) từ những cử động của người bệnh như thở hoặc như nhu động của các cơ quan Đây cǜng là điều kiện tốt cho những nghiên cứu và phát triển những ưu điểm này, điều này sẽ cung cấp ảnh

có chất lượng tốt để phục vụ cho việc chẩn đoán được tin cậy hơn và đặc biệt giảm

liều tia mà bệnh nhân phải hấp thụ

1.1.2 Nguyên lý tạo ảnh CT

Công nghệ CT (Computed Tomography) được sử dụng để tạo ra hình ảnh

của cơ thể bằng cách sử dụng tia X Nguyên lý tạo ảnh CT là dựa trên việc đo lường khả năng hấp thụ tia X của các mô trong cơ thể

5

Hình 1-2 : Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống máy CT

Cơ sở vật lý của CT chính là hiện tượng hấp thụ bức xạ tia X của cơ thể Tia

X phát ra từ nguồn có thể có dạng song hay dạng quạt

Khi chiếu tia X qua cơ thể, do các loại tế bào khác nhau có mật độ vật chất khác nhau, nên chúng sẽ hấp thụ tia X ở mức độ khác nhau Cơ sở của sự hấp thụ này chính là tương tác giữa tia X và các chất trong tế bào Kết quả là tia X bị suy

giảm cường độ Trong cơ thể người, xương là cấu trúc đặc nhất so với các mô khác nên chúng sẽ hấp thụ tia X nhiều nhất Trong y tế, người ta thường dùng chì (Pb)

để ngĕn chặn tia X, vì chúng hấp thụ tia X khá tốt

Tia X sau khi đi qua cơ thể sẽ được phát hiện bằng đầu dò (detector) Đầu dò

sẽ có tác dụng để thu thập dữ liệu về mức độ hấp thụ tia X của các cấu trúc trong

cơ thể Đầu dò tia X bao gồm một số lượng lớn các phần tử cảm biến tia X được

sắp xếp thành các hàng và cột Khi tia X đi qua cơ thể, nó sẽ bị hấp thụ bởi các cấu trúc trong cơ thể trước khi đến đầu dò Mỗi phần tử cảm biến trong đầu dò sẽ đo lường lượng tia X đã được hấp thụ bởi các cấu trúc tương ứng trong cơ thể Đầu

dò được dùng có thể là đầu dò sử dụng khí Xenon ở áp suất cao (khoảng 25 atm) (hình 1.4), hoặc đầu dò bán dẫn (solid-state detector) Để tạo ra hình ảnh CT, máy quét CT sẽ xoay xung quanh cơ thể của bệnh nhân và thu thập dữ liệu từ đầu dò tia X tại nhiều góc khác nhau

Tín hiệu điện thu được từ đầu dò được đưa đến máy tính để xử lý Máy tính

sẽ dùng các thuật toán để tái tạo hình ảnh của phần cơ thể được chụp và hiển thị ảnh lên màn hình Máy tính phải rất mạnh để thực hiện tái tạo ảnh song song với quá trình thu dữ liệu, nhằm giảm thời gian trễ giữa lúc kết thúc thu tín hiệu và hiển

thị ảnh

6

Hình 1-3: Đầu do khí Xenon

Hình 1-4: Đầu dò bán dẫn

Các góc thu nhận đầu dò tia X trong máy CT phụ thuộc vào thiết kế cụ thể

của máy CT và có thể khác nhau đối với từng loại máy CT Tuy nhiên, một số góc thu nhận chính bao gồm:

Góc thu nhận ngang (axial): Đây là góc thu nhận chính của máy CT Các đầu

dò được đặt trên hai bên của bệnh nhân và quay xung quanh cơ thể của bệnh nhân

để thu thập các hình ảnh ngang (axial) của các cơ quan và mô

Góc thu nhận dọc (coronal): Đây là góc thu nhận được sử dụng để tạo ra hình ảnh dọc (coronal) của cơ thể Để thu thập các hình ảnh này, các đầu dò được đặt trên đầu và chân của bệnh nhân và quay xung quanh cơ thể

Góc thu nhận ngang nghiêng (oblique axial): Đây là góc thu nhận được sử

dụng để tạo ra hình ảnh ngang nghiêng của cơ thể Để thu thập các hình ảnh này, các đầu dò được đặt trên hai bên của bệnh nhân và quay xung quanh cơ thể theo

một góc nghiêng nhất định

Tùy thuộc vào nhu cầu của bác sĩ và mục đích của kiểm tra, các góc thu nhận khác nhau có thể được sử dụng để tạo ra các hình ảnh khác nhau của cơ thể bệnh nhân

7

Hình 1-5: M ột số góc thu chính của máy CT

Tín hiệu điện thu được từ đầu dò được đưa đến máy tính để xử lý Máy tính sẽ dùng các thuật toán để tái tạo hình ảnh của phần cơ thể được chụp và hiển thị ảnh lên màn hình Máy tính phải rất mạnh để thực hiện tái tạo ảnh song song với quá trình thu

dữ liệu, nhằm giảm thời gian trễ giữa lúc kết thúc thu tín hiệu và hiển thị ảnh

Tín hiệu thu được sẽ được khuyếch đại, lượng tử hoá (số hoá), lọc và sau đó mới được xử lý Dữ liệu thu được là dữ liệu thô (raw data) Dữ liệu thô sẽ được hiệu chỉnh trong quá trình tiền xử lý Sở dĩ dữ liệu phải được hiệu chỉnh, thứ nhất

là do hệ số hấp thụ tuyến tính hiệu dụng của mô giảm theo khoảng cách so với nguồn phát Lý do của sự suy giảm mang tính chuyên sâu, không được giải thích đây Sự suy giảm này nếu không được hiệu chỉnh sẽ dẫn đến ảnh giả (artifact), ảnh không mong muốn, trong quá trình tái tạo ảnh có thể gây ra chẩn đoán sai Yếu tố thứ hai cần phải hiệu chỉnh là sự không đồng đồng đều về độ nhạy của từng đầu

dò và các kênh đầu dò trong trường hợp dùng đa dãy đầu dò Nếu không hiệu chỉnh yếu tố này sẽ dẫn đến nhiễu vòng trên ảnh (ring artifact or halo artifact)

Trong các thiết bị tạo ảnh CT ban đầu (“scanners”), một chùm tia X hình mũi tên được quét ngang qua bệnh nhân đồng thời với một detector ở hướng đối diện của bệnh nhân Nếu chùm tia là đơn năng hay gần đơn năng, thì tia X truyền qua bệnh nhân là:

I = Ioe- μx

Trong phương trình này bệnh nhân được giả thiết là một môi trường đồng

nhất Nếu chùm tia X bị chặn bởi 2 vùng với hệ số suy giảm μ1, μ2 và bề dày hai vùng là x1, x2, t

μ biểu hiện khả năng hấp thụ tia X của tế bào, nó được chuyển đổi thành một đơn

vị đo đặc trưng cho máy cắt lớp điện toán gọi là chỉ số CT

Chỉ số CT được tính như sau:

Trong đó: μct: Hệ số suy giảm chất thử

μn: Hệ số suy giảm của nước HU: Hounsfied Unit

Chỉ số CT của từng nguyên tố thể tích được hiển thị trên màn hình tương ứng với từng nguyên tố ảnh Tập hợp các nguyên tố ảnh sẽ tạo nên bức ảnh của lớp cắt Dựa vào chỉ số CT ta xác định được cấu trúc của tổ chức trong ảnh lớp cắt Dưới đây là bảng chỉ số CT đối với tế bào của một số tổ chức cơ thể người:

1.1.3 Các thế hệ máy chụp cắt lớp điện toán

Kể từ khi ra đời và được nhận về lợi ích của máy chụp các lớp vi tính đem

lại, máy chụp các lớp vi tính đã trả qua một số các thế hệ dưới đây

Máy CT thế hệ thứ nhất

Máy CT thế hệ thứ nhất sử nhất sử dụng một chùm tia X có bề dày cỡ bút chì

và một detector NaI Hệ thống này dịch chuyển theo cơ cấu tịnh tiến – quay: Đầu phát tia X và detector chuyển động tịnh tiến trên các mặt đối diện để quét hết lớp

cắt, sự dịch chuyển này quét qua toàn bộ tiết diện của lớp cắt

Hình 1-6: Máy CT th ế hệ thứ nhất: Chùm tia hình bút chì, chuyển động tịnh tiến quay

Tại những khoảng nhất định trong khi dịch chuyển, cường độ bức xạ được ghi lại tại detector Sau khi đã quét toàn bộ lớp cắt sẽ ghi lại được một tập hợp các

số liệu đo tương ứng với một tiết diện chéo Tập số liệu này được gọi là một phép chiếu

Sau đó, hệ thống sẽ quay đi một góc nhỏ cỡ 1o quanh trục vuông góc với mặt

phẳng chứa lớp cắt để thực hiện phép chiếu tiếp theo Như vậy hệ thống đo sẽ phải

dịch chuyển theo một góc quay ít nhất bằng 180 độ Những số đo được mã hoá rồi truyền tới máy tính Dựa trên những số đo này, máy tính sẽ tính ra những mức độ suy giảm chùm tia và sự phân bố của những suy giảm này trên tiết diện lớp cắt của đối tượng Những vùng có độ suy giảm cao được ấn định giá trị cao và ngược lại Nhược điểm của hệ thống này là: Hiệu suất sử dụng nguồn bức xạ từ bóng X-quang thấp, Thời gian phát tia dài và bệnh nhân phải chịu một liều bức xạ lớn

Thời gian tạo ảnh 5 phút

cải tiến này đã giảm được tổng số bước quét phẳng và số lần quay của hệ thống do

đó giảm thời gian tạo ảnh xuống còn 30 giây và nguồn bức xạ tia X từ bóng Xquang được sử dụng hiệu quả hơn

Hình 1-7: Máy CT thế hệ thứ 2 với chùm tia hình rẻ quạt, đầu dò mảng, chuyển động

k ết hợp tịnh tiến quay

11

Máy CT thế hệ thứ ba

Hình 1-8: Máy CT với chùm tia rẻ quạt đầu dò mảng vòng cung, chuyển động quay -

quay

Sự hạn chế của máy CT thế hệ thứ 2 là thời gian chụp quá dài Nguyên nhân

do sự phức tạp khi vận hành máy theo cơ chế tịnh tiến-quay và khối lượng cồng

kềnh cũng như sự liên quan tới giá đỡ máy CT, người ta dự kiến thay thế các máy quét có thời gian quét 20s hoặc hơn Hạn chế này được khắc phục với sự ra đời

của máy CT thế hệ thứ ba Trong các máy quét này bóng X quang và các đầu dò

gần nhau sẽ quay xung quanh bệnh nhân (hình1.8) Giống như một trục quay cố định, máy CT thế hệ thứ 3 có thể xây dựng ảnh trong 1s

Máy CT thế hệ thứ 3 sử dụng nhiều đầu dò sắp sếp theo đường cong và chùm tia có hình quạt Số lượng đầu dò và bề rộng của chùm tia, khoảng từ 30 đến

60 độ, cả hai đều lớn hơn máy CT thế hệ thứ 2 Trong máy CT thế hệ thứ 3, chùm tia và các đầu dò bố trí xung quanh bệnh nhân

Chùm tia X được phát có dạng hình rẻ quạt với góc lớn bao trùm toàn bộ tiết

diện lớp cắt Bộ phận thu sử dụng một mảng đầu dò gắn cố định trên một vòng cung đối diện với bóng X-quang Toàn bộ hệ thống đo quay quanh đối tượng một

góc 360 độ để thực hiện một lớp cắt

Việc sắp xếp các đầu dò quanh bệnh nhân dẫn tới khoảng cách từ nguồn tới các đầu dò không đổi, ảnh xây dựng lại có chất lượng tốt hơn Điểm đặc biệt này làm cho sự chuẩn trực chùm tia X tốt hơn và làm giảm bớt tác động của hiện tượng tán xạ

Một bất lợi của máy CT thế hệ 3 là thỉnh thoảng xuất hiện nhiễu ảnh Sự xuất

hiện này do một vài lý do Trong cách sắp xếp theo hình cong mỗi đầu dò tạo thành

12

một đơn vị riêng Nếu có một vài hay một dải đầu dò làm việc sai chức năng sẽ có nhiễu vòng xuất hiện trên ảnh Phần mềm sửa ảnh là dung thuật toán giảm đến mức

tối thiểu nhiễu ảnh

Hình 1-9: Nhi ễu vòng xuất hiện ở máy CT thế hệ thứ 3 Máy CT thế hệ 4:

Bóng X-quang quay tròn quanh bệnh nhân, chùm tia phát thành hình rẻ quạt bao phủ vùng cần thăm khám Nguồn tia X sẽ luân chuyển, nhưng bộ phận phát

hiện thì không Hệ thống đầu dò tách biệt với bóng X-quang, đó là một tập hợp rất nhiều detector (gồm 8000 nguyên tố riêng lẻ) bố trí trên một vòng tròn bao quanh

bệnh nhân, và được đóng ngắt theo quy luật nhất định, phù hợp với chuyển động quay của bóng

Hình 1-10: Máy CT th ế hệ thứ tư: Chùm tia rẻ quạt, đầu dò là một cung tròn chuyển

động quay - cố định

Mặc dù có những so sánh về chất lượng hình ảnh nhưng không thể có sự tổng quát, và không thể đưa ra quyết định rõ ràng khi xem xét hình ảnh tốt nhất

Máy CT sử dụng chùm electron:

Với mục đích giảm thời gian quét xuống thấp hơn nữa (vài chục ms): Máy

CT sử dụng chùm electron Được đưa ra vào những năm 1980 bởi nhà vật lý y học Andrew Castagnini

Chùm tia điện tử từ Catốt được điều khiển để lần lượt bắn vào bề mặt các rãnh anốt trong một góc quay 1800

Hình 1-11: Máy CT sử dụng chùm electron, lái tia bằng điện tử

Hệ thống thu bao gồm nhiều Detector bố trí cố định trong một vòng cung

1800

Hình 1-12: Mặt cắt dọc máy CT dùng chùm electron

14

Với cơ cấu cồng kềnh, phức tạp, máy CT sử dụng chùm electron có giá rất cao, và nó ít có tính linh hoạt (được sử dụng chủ yếu cho mục đích tạo ảnh tim

mạch) nên không có khả năng phát triển, chỉ có không tới 150 máy loại này được

lắp đặt trên thế giới Vai trò của nó trong tạo ảnh tim mạch đã nhanh chóng bị thay

thế bới máy CT đa đầu dò tốc độ cao

Hình 1-13: M ặt cắt ngang máy CT dùng chùm electron Máy CT quét xoắn ốc (Spiral CT hay Helical CT):

Máy CT quét xoắn ốc được đưa ra vào năm 1989, với nhiều phát triển bởi Willi Kalender và Kazuhiro Katada, ngày nay hầu như được sử dụng phổ biến thay cho máy CT thế hệ thứ 3 và thứ 4 Trong phương pháp này, thời gian thu nhận ảnh được giảm đáng kể bằng việc kết nối cáp cấp điện áp cho bóng phát tia thông qua

một “vòng trượt” hay công tắc trượt được gắn trên giàn quay của máy Với công nghệ vòng trượt này, bóng phát tia X, và hệ thống thu nhận quay liên tục trong khi giường bệnh nhân chuyển động mà không phải dừng lại Do đó, bệnh nhân được

di chuyển liên tục trong giàn quay trong suốt quá trình chụp, và chùm tia X vẽ ra

một đường xoắn ốc quanh bệnh nhân

Hình 1-14: Máy CT xo ắn ốc

Ưu điểm của kỹ thuật chụp cắt lớp xoắn ốc là: Thu nhận ảnh nhanh hơn nên

giảm được chuyển động của bệnh nhân trong quá trình chụp, do đó giảm được

15

giảm nhiễu chuyển động Tăng độ phân giải hai trục Sự liên tục của dữ liệu ảnh

dọc trục bệnh nhân giúp cải thiện chất lượng của ảnh tái tạo bao chiều

Máy CT với đầu dò đa mảng:

Với việc sử dụng đầu dò đa mảng, thời gian thu nhận dữ liệu nhanh hơn, liều chiếu theo đó được giảm xuống, CT đầu dò đa mảng được thiết kế để có thể quét

và xem các bộ phận và cấu trúc của cơ thể ở nhiều góc độ và chiều sâu khác nhau Hình ảnh thu được rõ hơn, từ các lát cắt dễ dàng tái tạo ảnh 3D, ảnh tái tạo mịn hơn

Hình 1-15: Máy CT với đầu dò đa mảng

1.2 C ấu tạo hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán

Tuy đã trải qua nhiều thế hệ máy, nhiều cải tiến khác nhau, tuy nhiên một

hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán (Computed Tomography Scanner) thông thường đều bao gồm những thiết bị thành phần cơ bản sau:

1 Giàn quay (GANTRY)

2 Bàn bệnh nhân (PATIENT COUCH)

3 Bàn điều khiển (CONSOLE)

4 Hệ thống máy tính (COMPUTED SYSTEM)

5 Hệ thống cao thế (HIGH TENSION GENERATOR)

6 Các phụ kiện đi kèm khác (Máy in phim, đĩa từ, nguồn dự

phòng, )

Do hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán đã trải qua nhiều thế hệ, có nhiều cải tiến và nhiều bước đột phá về công nghệ, vì vậy mỗi thế hệ có một cấu trúc, một

16

cấu tạo riêng Cấu tạo của từng bộ phận theo từng thế hệ máy sẽ được trình bày ở phần các thế hệ máy chụp cắt lớp điện toán Trong phần cấu tạo chung khó có thể

đi vào chi tiết

Hình 1-16: H ệ thống máy chụp cắt lớp điện toán thực tế

Hình 1-17: Mô hình h ệ thống máy chụp cắt lớp điện toán

17

1.2.1 Giàn quay

Giàn quay như Hình 1.19 là khối chứa nhiều thiết bị quan trọng nhất của hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán bao gồm các khối thiết bị sau đây (Hình 1.11):

1 Ống tia X (X-ray tube)

2 Bộ lọc tia, hệ thống chuẩn trực, và đầu dò tham chiếu

3 Hệ thống chiếu sáng bên trong

4 Hệ thống tản nhiệt cho ống tia X

5 Hệ thống cao thế 75 kV

6 Động cơ quay của giàn

7 Bộ điều khiển quay

8 DAS – Hệ thống tích luỹ dữ liệu

9 Hệ thống mảng đầu dò (detector)

10 Vòng trượt (Slip ring) (tuỳ thế hệ máy)

11 Bộ điều khiển kiểm soát nhiệt độ đầu dò

12 Hệ thống nguồn cao thế 75-150 kV

13 Bộ chuyển đổi nguồn: AC - DC

14 Bộ lọc nhiễu tín hiệu

Giàn quay có thể điều chỉnh nghiêng những góc ±30o (tuỳ thuộc loại máy)

để có thể tạo các lớp cắt chéo, cắt vát Góc nghiêng này có thể được đặt tự động nhờ hệ thống máy tính và cơ khí hoặc nhờ vào người điều khiển điều chỉnh bằng tay (ở một số hệ thống máy cũ)

Bên trong giàn quay, hệ thống đầu dò, bóng X-quang sẽ quay được nhờ vào một động cơ điện Tốc độ quay của hệ thống có thể đạt tới 1500 vòng/phút Đường kính vòng trong cùng của giàn quay là 700 - 720mm Bệnh nhân sẽ nằm trên bàn bệnh nhân và được di chuyển qua vòng trong này trong quá trình chụp cắt lớp

Dựa theo thế hệ máy và sự phát triển của công nghệ, đến thế hệ thứ 3 trở đi giàn quay được chia làm hai loại:

Giàn quay không vòng trượt: là kiểu giàn quay thế hệ cũ, không thể quay một chiều, chỉ có khả năng quay đảo chiều Bị hạn chế về khả năng quay do giới hạn dây cấp điện

Giàn quay loại vòng trượt: có thêm bộ phận tiếp điện vòng trượt để cung cấp điện cho ống tia X, bởi vậy loại giàn quay này có khả năng quay một chiều liên tục

18

Hình 1-18: Bên trong giàn quay c ủa máy chụp cắt lớp điện toán

Dựa theo thế hệ máy và sự phát triển của công nghệ, đến thế hệ thứ 3 trở đi giàn quay được chia làm hai loại:

- Giàn quay không vòng trượt: là kiểu giàn quay thế hệ cũ, không thể quay một chiều, chỉ có khả năng quay đảo chiều Bị hạn chế về khả năng quay do giới hạn dây cấp điện

- Giàn quay loại vòng trượt: có thêm bộ phận tiếp điện vòng trượt để cung cấp điện cho ống tia X, bởi vậy loại giàn quay này có khả năng quay một chiều liên tục

Cấu tạo cụ thể của giàn quay vòng trượt sẽ được nói đến kỹ hơn ở phần sau đây

Giàn quay của máy chụp cắt lớp điện toán thế hệ thứ ba và thứ tư

Hầu hết các máy chụp cắt lớp điện toán hiện đại, chiếm đến 90% là máy thuộc thế hệ thứ 3 Ống tia X và cụm mảng đầu dò được gắn cố định với nhau trên cùng một khung quay, chùm tia X được phát ra có hình rẻ quạt

Trong thế hệ thứ 3, để thu thập dữ liệu ảnh, giàn quay có thể quay theo hai cách là quay đảo chiều và quay một chiều liên tục

Những máy thuộc giai đoạn đầu áp dụng kiểu quay đảo chiều: quay thuận kim đồng hồ 360 độ rồi quay ngược chiều kim đồng hồ 360 độ Giai đoạn này do chưa có sự ra đời của công nghệ vòng trượt, việc cấp điện cho ống tia X được thông qua dây cáp điện cao thế Tín hiệu dữ liệu được dẫn từ khối tích luỹ dữ liệu DAS tới máy tính cũng thông qua cáp tín hiệu và cáp điện Bởi vậy không thể quay

dữ liệu ảnh 1 lớp cắt được giảm xuống còn khoảng 1 giây Và điều này cho phép

ta thực hiện các lớp cắt liên tục không bị gián đoạn nhờ vào chuyển động liên tục của giàn quay và bàn bệnh nhân

Vòng trượt

Vòng trượt là một thiết bị cơ điện có dạng của một vòng khuyên được xếp chồng bởi nhiều đĩa hoặc xẻ rãnh mà những rãnh đó được tách biệt cách ly về điện, việc truyền điện ở mỗi rãnh sẽ được thực hiện qua việc tiếp xúc bề mặt với từng chổi quét

Nhờ cấu trúc chổi quét và vòng trượt, việc tiếp điện không cần đến cáp điện, chỉ cần quay vòng trượt liên tục trong khi chổi quét vẫn tiếp xúc lên bề mặt các rãnh vòng trượt

Về cấu tạo, vòng trượt bao gồm hai loại: Vòng trượt hình đĩa (Disk type)

có các rãnh được bố trí trên bề mặt đĩa, và vòng trượt hình trụ (Cylinder type) có các rãnh bố trí trên bề mặt trụ Trong hai loại, vòng trượt hình đĩa có cấu trúc gọn

và mỏng hơn

Về phương thức tiếp điện, vòng trượt chia làm hai loại:

- Vòng trượt điện áp thấp (Low voltage slipring): Điện áp nguồn xoay chiều cung cấp thông qua chổi quét, chổi quét cấp lên vòng trượt và vòng trượt cung cấp cho khối cao thế bên trong giàn quay và các thiết

bị khác Ưu thế của loại vòng trượt này là tránh được sự phóng điện hồ quang do điện áp cao gây ra cho nên tuổi thọ của chổi quét dài (5-7 năm) Tuy nhiên nhươc điểm của loại vòng trượt này là khối cao thế phải đặt trong giàn quay nên đòi hỏi giàn quay phải được thiết kế, chế tạo thật gọn nhẹ

- Loại vòng trượt điện áp cao: khối cao thế được lắp đặt bên ngoài giàn quay, điện áp cao thế được cung cấp cho bóng X-quang thông qua vòng trượt Để tránh hồ quang, vòng trượt và chổi quét phải được bao kín trong khoang có nạp khí trơ Loại này có ưu điểm không bị giới hạn về kích thước do khối cao thế (thường có thể tích và trọng lượng khá lớn)

bố trí bên ngoài giàn quay Tuy nhiên, vì khí trơ bị rò rỉ nên phải thường xuyên nạp bổ xung và tuổi thọ của chổi quét ngắn (khoảng 1 năm) do không thể triệt tiêu hoàn toàn phóng điện hồ quang

20

Hình 1-19: Hai lo ại vòng trượt hình đĩa và hình trụ

Hiện nay đa số máy chụp cắt lớp điện toán áp dụng loại vòng trượt điện áp thấp do khối cao thế ứng dụng công nghệ cao tần nên kích thước và trọng lượng giảm đáng kể Bố trí bên trong của giàn quay loại vòng trượt điện áp thấp thường bao gồm: bóng X-quang, khối đổi tần (Inverter unit), khối cao thế (High voltage generator), khối đầu dò và tích luỹ dữ liệu (Detector + DAS), khối toả nhiệt (Heat exchanger) và khối điều khiển (Control board) Những khối này được bố trí sao cho tải trọng phân bố đồng đều quanh khoảng đối tượng thăm khám

Ống tia X (Bóng X-quang)

Về cơ bản, ống tia X là bộ phận tạo ra chùm tia X nhờ biến đổi điện năng Cấu trúc của ống đơn giản bao gồm cathode là một sợi đốt Vonfram (Tungsten) được đốt nóng để sản sinh electron, các electron được gia tốc bằng một hiệu điện thế cao bay đến và va chạm với tấm kim loại ở anode sinh ra tia X

21

Cathode của ống tia X được cố định, ta có thể thấy nó được bọc gọn gàng có hình chiếc vòi phun Điện áp cung cấp cho cathode để tạo electron rất nhỏ, không quá 12V

Anode của ống tia X có hình dạng đĩa, với bề mặt cho electron bắn tới làm bằng hợp kim Vonfram (Tungsten), sau lớp bề mặt đó là lớp hợp kim Molypden – Than chì để tăng khả năng tản nhiệt và chịu nhiệt độ cao của ống tia X trong quá trình vận hành Trong quá trình vận hành đó, đĩa anode sẽ liên tục quay nhờ một động cơ nhỏ để tránh sự gia tăng nhiệt lượng nhanh chóng tại một điểm

Đằng sau anode có một hệ thống tản nhiệt sử dụng dầu, đó cũng là hệ thống làm mát, duy trì tuổi thọ của ống tia X được lâu hơn Bên trong ống tia X có bố trí cảm biến nhiệt độ để theo dõi kiểm soát sự gia nhiệt của ống

Khả năng chịu nhiệt của ống tia X có thể lên tới 8 MHU (Milions Heat Unit) Nhờ đó thời gian làm việc liên tục của ống tia X được tăng lên

Tất cả được bọc trong một không gian kín với vỏ bọc kim loại, đã rút không khí để tạo môi trường chân không Vỏ bọc bằng kim loại có tác dụng tản nhiệt nhanh trong quá trình vận hành ống tia X

Sợi đốt cathode được đốt nóng bởi nguồn điện một chiều 12V, nhưng hiệu điện thế vận hành giữa anode và cathode giao động từ 75kV đến 140kV thường dùng 120kV đến 140kV Dòng điện trong ống tia X phải đạt giá trị từ 200 – 800

mA, nếu thấp quá sẽ gây ra nhiễu nhoè ảnh, do tia X tới các đầu dò là không đủ

22

Hình 1-22: Bộ chuẩn trực trước bệnh nhân đặt kèm ống tia X

Bộ chuẩn trực trước bệnh nhân

Phần chuẩn trực đặt kèm ống tia X, còn gọi là chuẩn trực trước bệnh nhân (Pre-patien Colimator)

Phần này có tác dụng tạo hình dạng chùm tia X đưa vào chụp cắt lớp Trong quá trình phát triển, tại thế hệ máy thứ nhất và thứ hai phần chuẩn trực này có dạng hình trụ có kích thước đường kính là 4,2 mm

Đến thế hệ máy thứ 3, người ta sử dụng cả một chùm tia X hình quạt, do yêu cầu đó, bộ chuẩn trực gắn kèm ống tia X được thiết kế lại với hình chữ nhật thường có kích thước 2000 x 600 mm (một số máy có kích thước khác) Vì đặt giữa ống tia X và bệnh nhân nên được gọi là pre-patien Khe chuẩn trực có kích thước hẹp nhất là 0,02 mm và lớn nhất là 100 mm

Trong phương pháp chụp đơn lát cắt, bộ chuẩn trực prepatien có tác dụng giảm liều lượng tia X lên bệnh nhân đồng thời xác định bề dày lát cắt của mặt phẳng ảnh

Trong phương pháp đa lát cắt, bộ chuẩn trực trước bệnh nhân tuy không có tác dụng xác định bề dày lát cắt, tuy nhiên nó vẫn cản được 99% số tia X được phát ra từ ống tia X

Bộ chuẩn trực sau bệnh nhân

Bộ chuẩn trực này đặt kèm mảng đầu dò, còn được gọi là Post-patient Colimator

Phần chuẩn trực này lại có 2 loại bao gồm: chuẩn trực 1 mặt phẳng lát cắt (plane colimator) và chuẩn trực đa lát cắt (cross plane colimator) Phần này được làm từ hợp kim Vonfram – Chì

Nhìn chung về tác dụng, phần chuẩn trực post-patien có tác dụng cản các tia X tán xạ trong quá trình đâm xuyên đi tới đầu dò, tránh được nhiễu tán xạ

Ở các máy thế hệ thứ 3: Phần chuẩn trực post-patien đa phần là loại đơn lát cắt, nó có dạng lưới, tuy nhiên làm thưa, và nó chỉ được ngăn giữa các cột của mảng đầu dò, không được ngăn giữa các hàng của mảng đầu dò, bởi vậy nó còn gọi là chuẩn trực một chiều

23

Ở máy thế hệ thứ 4 và các máy cuối của dòng máy thứ 3, người ta sử dụng loại chuẩn trực đa lát cắt, nó được chế tạo ở dạng lưới, ngăn từng đầu dò trong mảng với nhau, ngăn giữa các hàng, các cột Nó hữu ích hơn trong việc chống lại

sự nhiễu tán xạ của tia X Tuy vậy máy chụp cắt lớp điện toán (Computed Tomography Scanner) đa lát cắt lại định dạng bề dày lát cắt và khẩu độ theo số hàng đầu dò dựa vào máy tính điều khiển

Bộ chuẩn trực hai phần có tác dụng tạo hình dạng mong muốn của chùm tia

X, chống sự tán xạ và giảm bớt nhiễu cho ảnh chụp Hệ thống chuẩn trực được điều khiển bởi một động cơ bước (Step motor) và hệ thống mạch điều khiển số

Bộ điều khiển hình dạng chùm tia X

Để tạo chùm tia X hình rẻ quạt có bề dày bằng bề dày lớp cắt mong muốn, tia X tại lối ra của ống tia X được giới hạn bởi 1 khe bằng chì, hình côn (lead cone)

và hệ thống chuẩn trực pre-patien được bố trí ở phía cửa sổ ra của ống tia X và hệ thống chuẩn trực post-patien ở lối vào hệ thống đầu dò

Các bộ chuẩn trực đặt sát khoang bệnh nhân và phía mặt cụm đầu dò được điều khiển bởi động cơ bước (step motor) và các mạch điều khiển số Ngoài bộ chuẩn trực và miếng hình côn bằng chì, chùm tia còn được giới hạn bởi một bộ

giới hạn góc mở tia xạ (Radiation limiter) Toàn bộ hệ thống này được điều khiển bởi các mạch điều khiển số tinh vi, chính xác

Toàn bộ cơ cấu này được thiết lập điều khiển bởi hệ thống máy tính Thông qua máy tính, người điều khiển máy sẽ đặt các thông số cho chùm tia X và máy tính sẽ điều khiển cơ cấu trên tạo ra hình dạng chùm tia X như mong muốn

Đầu dò

Trong quá trình phát triển của máy chụp cắt lớp điện toán (Computed Tomography Scanner) cho đến ngay nay, có 3 loại đầu dò được sử dụng đó là:

1 Đầu dò khí Xenon (Xenon Gas Detector)

2 Đầu dò chất rắn thông thường (Solid State Detector)

Hai điện cực được cấp điện một chiều 300 - 400V DC Khi tia X xâm nhập vào khoang, tia X sẽ ion hoá khí Xenon, làm sản sinh dòng điện bởi các hạt electron

bị tách ra từ nguyên tử khí Xenon tới cực dương và ion Xenon tới cực âm Phần ion Xenon khi tới cực âm sẽ được bù lại electron đã mất nên sẽ được hồi phục Dòng điện sinh ra nhờ các electron bị tách khỏi nguyên tử Xenon do tác động của tia X chính là dữ liệu thô trong việc tái tạo ảnh

Đầu dò khí Xenon có kích thước lớn cỡ 12 x 12 x 12 cm, do để đảm bảo độ nhạy cũng như để đạt đủ cường độ dòng diện sinh ra do tia X, cần nạp một lượng lớn khí Xenon dưới áp suất cao Và để duy trì sự ổn định của đầu dò, nhiệt độ khoang khí phải được ổn định ở khoảng nhiệt độ 30 - 35 độ C Chính vì vậy mà khi sử dụng phải bật máy trước khoảng 2 giờ

Ưu điểm của đầu dò khí Xenon:

- Độ ổn định cao, tần suất yêu cầu cho việc chuẩn máy thấp (3-4 tháng / lần)

- Tồn dư dòng điện khi ngắt tia X (afterglow) ngắn, tốc độ lấy mẫu cao,

do vậy có thể giảm thời gian thu thập dữ liệu cho một lớp cắt xuống tới 1-2 giây

Nhược điểm của đầu dò khí Xenon:

- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng tia X sang dòng điện thấp, liều lượng tia

X (mAs)/Ảnh cao Tức là độ nhạy đầu dò thấp, yêu cầu để có thể tạo được ảnh cỡ 1,5 mAs

- Phải định kỳ nạp bổ sung khí Xenon do sự thất thoát khí

- Cồng kềnh, khối lượng và thể tích lớn, không thể lắp được nhiều đầu dò thành một mảng lớn hàng trăm chiếc Vì vậy, đầu dò loại này chỉ được thấy ở các thế hệ máy thứ nhất và thứ hai Ngày nay không còn được sử dụng cho máy chụp cắt lớp điện toán (Computed Tomography Scanner), chỉ còn sử dụng trong các nghiên cứu khoa học

b, Đầu dò chất rắn thông thường CdWO4:

Đầu dò chất rắn được nghiên cứu và chế tạo từ những năm 1980 bằng các vật liệu phát quang khi có kích thích tia X và diode quang Phần vật liệu phát quang phổ biến trước đây là hợp chất Cadimium Tungsten (CdWO4)

Khi tia X tới và va đập vào tấm vật liệu phát quang, nó sẽ phát ra photon của ánh sáng nhìn thấy, nhờ có diode quang đặt hứng lấy ánh sáng này, ánh sáng được biến đổi thành dòng điện và ta thu được tín hiệu dữ liệu

Kích thước một đầu dò khá nhỏ, bề dày 1 cm, mặt hứng tia X có kích cỡ trung bình cỡ 4 x 5 mm

Ưu điểm của đầu dò chất rắn thông thường:

25

- Do có lợi thế chuyển đổi năng lượng tia X sang ánh sáng nhìn thấy, hiệu suất chuyển đổi năng lượng tia X của đầu dò chất rắn tương đối cao, liều lượng tia

X để chụp một ảnh được giảm xuống, mAs/Ảnh thấp Do vậy giảm được thời gian

và liều lượng phát tia X vào cơ thể bệnh nhân

- Nhỏ gọn, dễ dàng cho việc chế tạo mảng đầu dò gồm hàng trăm chiếc, tăng được việc thu nhận nhiều tín hiệu trong cùng một khoảng thời gian, rút ngắn thời gian chụp một ảnh

Nhược điểm của đầu dò chất rắn thông thường:

- Độ ổn định rất thấp, tần suất yêu cầu chuẩn lại máy cao, thường phải chuẩn lại máy hằng ngày

- Tồn dư dòng điện khi ngắt tia X (Afterglow) cao, dẫn đến tốc độ lấy mẫu thấp, thời gian để thu thập dữ liệu cho một lát cắt phải kéo dài tới 3 – 5 giây Tín hiệu thu nhận không có sự ổn định nên ảnh thường bị mờ

- Dễ bị tác động của độ ẩm trong không khí gây ra mất ổn định

c, Đầu dò chất rắn gốm đất hiếm:

Về mặt cấu tạo, đầu dò chất rắn gốm đất hiếm có cấu tạo giống hệt đầu dò chất rắn thông thường, cùng sử dụng chung cơ chế biến đổi tia X thành ánh sáng nhìn thấy sau đó dùng diode quang để biến đổi thành tín hiệu dòng điện

Tuy nhiên thay vì dùng CdWO4để làm vật liệu phát quang thì loại vật liệu mới thay thế là gốm đất hiếm (rare erath ceramic) được sử dụng Loại vật liệu mới này cho phép đầu dò thế hệ mới khắc phục được hoàn toàn tất cả những nhược điểm của hai loại đầu dò thế hệ cũ

Ưu điểm của đầu dò chất rắn gốm đất hiếm:

- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng tia X rất cao, gấp 3 - 4 lần so với đầu dò loại CdWO4, bởi vậy có độ nhạy cao, chỉ cần cỡ 0,3 – 0,4 mAs Tồn dư dòng điện sau khi ngắt dòng tia X ngắn cỡ 10 ms, cho phép thực hiện nhiều phép chiếu trong thời gian ngắn, việc thực hiện tái tạo một ảnh chỉ mất dưới 20 giây

- Độ ổn định cao hơn đầu dò chất rắn thông thường vài chục lần, ít phải chuẩn lại máy, thời gian chuẩn lại máy khoảng 5 - 6 tháng/lần Ít bị tác động của

Nhược điểm của đầu dò chất rắn gốm đất hiếm:

- Giá thành chế tạo cao, đòi hỏi công nghệ cao cấp Vẫn bị sai lệch nếu

nhiệt độ tăng quá cao, do vậy cần có sự kiểm soát nhiệt độ cho đầu dò

d) Đầu dò tham chiếu:

Ngoài số đầu dò để thu tín hiệu qua bệnh nhân, máy chụp cắt lớp điện toán còn có những đầu dò khác được gọi là đầu dò tham chiếu hoặc đầu dò kiểm soát

Hệ thống thu thập và tích luỹ dữ liệu

a) Mảng đầu dò:

Để thu được nhiều dữ liệu, cần có rất nhiều các đầu dò thu nhận đồng thời nhiều tín hiệu trong cùng một thời điểm, vì vậy mảng đầu dò được chế tạo và sử dụng trong các máy chụp cắt lớp điện toán từ thế hệ máy thứ 3 trở đi

Mảng đầu dò được lắp đặt hình vòng cung, đối xứng với ống tia X, mảng bao gồm khoảng 700 – 900 đầu dò Đối với máy thế hệ thứ 4 có khoảng 1200 –

1400 đầu dò, các đầu dò trên mảng được lắp kế tiếp nhau, khoảng cách khe giữa hai đầu dò liền kề là 0.5 mm

Trong những thế hệ máy mới nhất sử dụng công nghệ chụp đa lát cắt, mảng đầu dò được chế tạo thành nhiều hàng, tuy nhiên không đều nhau về các hàng, hàng chính giữa chỉ có bề rộng 0,75 mm, và hai hàng đầu dò ngoài cùng có bề rộng 1,5 mm

b) Hệ thống tích luỹ dữ liệu (DAS):

Hệ thống tích luỹ dữ liệu bao gồm: Mảng đầu dò tín hiệu, đầu dò tham chiếu, các mạch khuếch đại, mạch logarith, mạch tích phân, mạch dồn kênh, bộ chuyển đổi ADC… và một bộ nhớ ổ cứng nhỏ

Theo đó, hệ thống thu nhận tín hiệu bằng các đầu dò, các đầu dò chuyển đổi tín hiệu tia X thành tín hiệu điện, tín hiệu điện sẽ được khuếch đại rồi qua bộ ADC chuyển hoá thành tín hiệu số hoá, sau đó dữ liệu số hoá đưa vào bộ nhớ tạm thời,

từ bộ nhớ tạm thời dữ liệu được chuyển tới máy tính

27

Hình 1-25: Sơ đồ khối hệ thống tích luỹ dữ liệu DAS

Trong thế hệ máy thứ 3, số lượng đầu dò thường từ 700 – 900 đầu dò trong một hàng, những đầu dò này được bố trí liền kề nhau Về lý thuyết, để tăng cao việc sử dụng hiệu suất tia X cũng như tăng chất lượng phân giải không gian của ảnh, số lượng đầu dò trong hàng càng nhiều và bố trí càng sát nhau càng tốt Tuy nhiên, kèm theo sự tăng số lượng đầu dò, hệ thống mạch xử lý tín hiệu sẽ tăng độ phức tạp vì mỗi đầu dò đòi hỏi một kênh tín hiệu độc lập

Cường độ tín hiệu thu được từ đầu dò là tương đối nhỏ, đôi khi có những tín

hiệu yếu chỉ khoảng cỡ 10-3mA và biến thiên trong khoảng rất rộng, điều này đòi hỏi các mạch điện tử của máy phải được thiết kế để đạt được những yêu cầu về mặt kỹ thuật

Chiều cao của bàn bệnh nhân có thể điều chỉnh được, khi cần có thể hạ thấp

để chuyển bệnh nhân sang bàn và chuyển vào vị trí chuẩn bị, sau đó bàn nâng lên cao đến mức cần thiết Chiều cao này thường dao động từ 30 – 150 cm Chiều cao của bàn được điều khiển bởi máy tính thông qua hệ thống thuỷ lực cơ khí

Trong hệ thống bàn bệnh nhân, bàn được định vị so với giàn quay Việc định vị này có thể thực hiện trực tiếp tại bàn điều khiển cạnh bàn, tại giàn quay hoặc tại bàn điều khiển tổng đặt bên ngoài buồng chụp

28

Hệ thống định vị gồm các đèn và gương chiếu sáng tạo các vạch sáng, kết hợp với bảng chỉ thị số vị trí thẳng kèm góc nghiêng chia độ vạch trên cạnh bàn của bàn bệnh nhân và giàn quay, từ đó máy tính định vị bệnh nhân và thực hiện lớp cắt một cách nhanh chóng, chính xác, tự động và có thể tái lập lại lớp cắt một cách chính xác

Phía bên cạnh giàn quay có một bộ bàn đạp điều khiển cơ học cho việc nâng

hạ bàn và dịch chuyển ra vào vùng quét cho bàn Bàn có khả năng di chuyển ra vào là 1800 mm, tương ứng cỡ chiều cao cơ thể người để có thể chụp cắt lớp toàn

bộ cho cơ thể

Trọng lượng của bàn xấp xỉ 200kg, bàn thường được làm bằng các hợp chất sợi Carbon, phía trên mặt bàn có một gối dành cho bệnh nhân, một bộ dây đai để

cố định bệnh nhân

Bàn có thể di chuyển liên tục với tốc độ không đổi trong chế độ chụp quét

đa lát cắt, hoặc di chuyển theo bước trong chế độ chụp đơn lát cắt Tốc độ dịch chuyển của bàn được người điều khiển đặt trước

1.2.3 Hệ thống máy tính

Hệ thống máy tính là một phần quan trọng bậc nhất của một hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán Đây là trung tâm tính toán, điều khiển mọi hoạt động của máy, cũng như tái tạo và hiển thị ảnh Hệ thống máy tính của một máy chụp cắt lớp điện toán thường bao gồm các chức năng chính sau:

1 Đặt chương trình chụp quét theo yêu cầu của người sử dụng Tính toán các tham số: thể tích, khoảng cách, trị số CT

2 Điều khiển, hiệu chỉnh các tham số chụp: kV, mA, bề dày lớp cắt, kiểu quét, tốc độ di chuyển bàn bệnh nhân…