Nhận thấy những hạnchế của cách chụp X quang thông thường, hai nhà khoa học là A.M.Cormack và G.N.Hounsfield giải Nobel Y học năm 1979 đã tìm cách chụp ảnh tia X sao cho đo được không ch
Trang 1Chụp cắt lớp tia X
Ở thời đại kỹ thuật số, người ta đã tạo ra các kiểu chụp ảnh không cần ánh sáng, không cần phim, chủ yếu là tự động điều khiển đo, xử lý bằng máy tính Đặc biệt trong y học, các phép chụp ảnh phổ biến hiện nay như: Chụp cắt lớp tia X, chụp cộng hưởng từ (MRI), chụp siêu âm thường và siêu âm Doppler… là những cách chụp ảnh kỹ thuật số tiêu biểu.
Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên tắc và ứng dụng của chụp cắt lớp tia X.
Chụp X quang thông thường - Bước đột phá đã hơn 100 năm
Năm 1895, nhà vật lý nổi tiếng người Đức Rontgen công bố đã tìm thấy một loại tia (chưa biết là tia gì nên gọi là tia X) có nhiều tính năng kỳ lạ, đặc biệt nhất là nó xuyên qua được nhiều vật mà ánh sáng không xuyên qua được Trong công bố đó, Rontgen đã đưa ra một bức ảnh đầy ấn tượng chụp chính bàn tay của vợ mình, phần da thịt thì hầu như trong suốt, còn các đốt xương hiện rõ, mầu đen đậm, đặc biệt thấy cả hình dạng của chiếc nhẫn vàng đeo ở ngón tay
Bức ảnh làm chấn động cả thế giới lúc bấy giờ vì đó là
Trang 2lần đầu tiên con người tìm ra cách nhìn thấy được các bộ phận (xương) bên trong
mà cơ thể vẫn nguyên vẹn, người vẫn sống bình thường
Phương pháp chụp X quang phát triển từ đó và cho đến nay, đây vẫn là một phương pháp không thể thiếu trong chẩn đoán y học, bệnh viện nào cũng có phòng
X quang
Tuy nhiên, với nguyên tắc chụp X quang thông thường, ta thấy thông tin từ ảnh X quang có nhiều hạn chế Ví du,ï chiếu chùm tia X qua bàn tay và đặt tấm phim dưới bàn tay Có thể hình dung chùm tia X gồm nhiều tia rất mảnh, mỗi tia đi thẳng xuyên qua bàn tay và đến phim, tác dụng vào một điểm trên tấm phim Nếu tia đó đi qua bàn tay ở chỗ chỉ có da, thịt thì tia đó còn mạnh (cường độ lớn), tác dụng mạnh lên phim, điểm tương ứng trên phim đen đậm Nếu tia đó đi qua bàn tay chỗ có xương, vì xương có mật độ vật chất (khối lượng riêng, tỷ trọng) lớn, hấp thụ mạnh tia X, nên khi ra khỏi bàn tay, tia đó bị yếu, tác dụng yếu lên phim, điểm tương ứng trên phim nhạt Như vậy, những chỗ đậm, nhạt trên phim là do đoạn đường tương ứng xuyên qua bàn tay hấp thụ ít hay nhiều tia X Nói cách khác, nhìn những chỗ đen, trắng trên phim, ta chỉ suy ra được mật độ vật chất trung bình dọc theo đoạn đường mà tia X đã đi qua Ảnh có được là ảnh haichiều, nhìn vết đen của đốt xương ngón tay trên phim ta phán đoán được đốt xương có cân đối ở giữa ngón tay hay không; còn cao hay thấp, cong lên hay cong xuống thì không biết được Nhiều trường hợp phải chụp hai, ba kiểu ảnh theo các hướng khác nhau mới xác định được vị trí một chi tiết trên ảnh
Chụp cắt lớp tia X
Trang 3Nhận thấy những hạn
chế của cách chụp X quang
thông thường, hai nhà khoa
học là A.M.Cormack và
G.N.Hounsfield (giải Nobel Y
học năm 1979) đã tìm cách
chụp ảnh tia X sao cho đo
được không chỉø mật độ vật
chất trung bình theo đường đi
xuyên qua vật mà là cả mật độ
vật chất ở từng thể tích nhỏ cỡ
milimet khối (mm3) của vật, gọi là thể tích phần tử (volume element hay voxel) Nếulàm được như vậy thì bằng cách vẽ những thể tích phần tử đó nằm theo một mặt cắt (một lớp cắt có bề dày khoảng 1 mm), rồi căn cứ vào mật độ vật chất đo được, tô màu cho từng thể tích phần tử sẽ có được ảnh cắt lớp Ví dụ, phần tử thể tích nào có (đo được) mật độ vật chất lớn, ta tô màu đen đậm; phần tử thể tích nào
có mật độ vật chất nhỏ, tô màu đen nhạt, từ đó sẽ có được ảnh cắt lớp đen trắng Nếu vẽ được trong không gian lần lượt các ảnh cắt lớp đó, sẽ có được ảnh ba chiều của vật Nhưng làm thế nào đo được mật độ vật chất ở từng thể tích phần tử của vật?
Về nguyên tắc, người ta chiếu vào vật cần nghiên cứu, ví dụ đầu người, một tia X thật mảnh theo một hướng nhất định, rồi bố trí đêtectơ để đo, biết được tia X chiếu theo hướng đó bị hấp thụ mạnh/yếu như thế nào, tức là biết được mật độ vật chất tổng cộng của các thể tích phần tử nằm dọc theo một hướng Người ta lần lượt thay đổi hướng chiếu, nói cách khác là quét tia X theo những hướng khác nhau, để lần lượt thu được mật độ vật chất tổng cộng của các thể tích phần tử nằm dọc theo những hướng khác nhau đó Từ những số liệu thu được, người ta tính toán ra mật
độ vật chất của từng thể tích phần tử Muốn vậy, phải xây dựng những thuật toán
Trang 4phức tạp, phải thực hiện một khối lượng tính toán rất lớn, phải dùng máy tính tốc
độ cao mới thực hiện nhanh được Vì thế, người ta đặt tên là phép chụp ảnh cắt lớp
có sự trợ giúp của máy tính, gọi tắt là CT (computer aided tomography hay computed tomography)
Ở giai đoạn đầu, muốn có được một ảnh cắt lớp phải xoay ống phát tia X và đêtectơ trong 9 ngày để làm 28.000 phép đo lấy
số liệu nhập vào máy tính, tính trong hai tiếng rưỡi mới có được một ảnh cắt lớp hiện lên màn hình CRT và phải dùng máy ảnh phim để chụp lại ảnh hiện trên màn hình Ngày nay, để chụp ảnh
CT, người ta bố trí đồng thời nhiều ống phát tia X, nhiều đêtectơ bán dẫn vây kín cả một vòng quanh chỗ cần chụp, chỉ trong 2 giây đã thu được số liệu
để tính ra mật độ vật chất của khoảng 2 triệu thể tích phần tử, kích thước mỗi chiều của một thể tích phần tử có thể nhỏ đến 0,3 mm, máy tính nhỏ kèm theo
có thể tính rất nhanh kết quả để hiện ảnh lên gần như tức thời Còn màu sắc có thể chọn tuỳ ý để hình ảnh hiện lên vừa rõ ràng, vừa gần với thực tế Ví du, chụp đầu thì nơi nào có mật độ vật chất ứng với xương sẽ gán cho màu trắng, ứng với máu cho màu đỏ, ứng với não cho màu xám… Như vậy, qua cách chụp ảnh CT tia X, ta thấy quy trình của một phép chụp ảnh kỹ thuật số là: 1) Chia vật cần chụp ảnh ra thành từng thể tích nhỏ, gọi là thể tích phần tử (tưởng tượng theo toán học) Vị trí mỗi thể tích phần tử được xác định bởi các toạ độ xi,yj, zk; 2) Tiến hành các phép
đo để xác định đặc điểm của từng thể tích phần tử Ví du, đối với trường hợp chụp
Trang 5ảnh CT tia X xác định mật độ vật chất x của phần tử thể tích đó (tỷ lệ với độ hấp thụ tia X) Nói cách khác, ở trường hợp CT tia X, thu thập tất cả số liệu xijk đối với thể tích phần tử có vị trí xi,yj, zk; 3) Vẽ trong không gian các thể tích phần tử có các vị trí xi,yj, zk và theo xijk tô màu cho các phần tử thể tích
Vẽ trong không gian rất khó, để có được hình ảnh trong mặt phẳng thường phải vẽ từng lớp Ví dụ, vẽ lớp cắt ứng với việc cắt vật một lát theo zk, lúc đó lấy tất
cả các số liệu về mật độ vật chất ứng với các thể tích phần tử có xi và yj khác nhau nhưng cùng một zk, ta có được hình ảnh một lát cắt với zk Ví dụ chụp CT tia X đầu người, chọn trục z theo hướng từ cổ lên đỉnh đầu và zk là toạ độ ngang với hai mắt,
vẽ ra ta có ảnh cắt một lớp ngang qua mắt của đầu Ta thấy, rõ ràng là chỉ có máy tính mới trợ giúp được cách chụp ảnh này, đúng theo nghĩa của hai chữ CT