Tìm hiểu về máy Chụp cắt lớp điện toán CT scanner và ứng dụng của nó

Là một sinh viên khoa điện tử chuyên ngành y sinh,em đã có cơ hội tìm hiểu và tiếp xúc với các loại thiết bị y tế hiện đại giúp em có cái nhìn sâu hơn về tàm ảnh hưởng của các thiết bị

Lời Nói Đầu

Ngày nay nhờ sự phát triển vượt bậc của nền khoa học kĩ thật thế giới con người ngày càng được đặt ở sống và làm việc trong những điều kiện tốt hơn,do đó các tiến bộ khoa học đã được ứng dụng rất mạnh mẽ trong lĩnh vực y tế chăm sóc sức khoẻ cộng đồng Đã có rất nhiều các phát minh ứng dụng được áp dụng cho chẩn đoán và điều trị các bệnh hiểm nghèo và đã cho ta những kết quả đáng tự hào Đặc biệt các loại máy y tế được ứng dụng rộng rãi trong việc chẩn đoán để phát hiện được sớm hơn nguy cơ mắc các bệnh hiểm nghèo đã giúp ngăn ngừa khá hiệu quả trong lĩnh vực chẩn đoán điều trị bệnh

Là một sinh viên khoa điện tử chuyên ngành y sinh,em đã có cơ hội tìm hiểu

và tiếp xúc với các loại thiết bị y tế hiện đại giúp em có cái nhìn sâu hơn về tàm ảnh hưởng của các thiết bị y tế tiên tiến đối với việc chẩn đoán và điều trị bệnh.Trong thời gian thực tập tại bệnh viện Hữu Nghị , nhờ sự quan tâm hướng dẫn tận tình của thầy Hiền cũng như các anh chị cán bộ tại bệnh đã gúp em hoàn thành được bản báo cáo này

Có rất nhiều các thiết bị được ứng dụng trong chẩn đoán phát hiện bệnh như máy CT,MRI,siêu âm,PET… nhưng em đặc biệt quan tâm đến máy Chụp cắt lớp điện toán CT scanner và đã lựa chọn tìm hiểu về máy CT cũng như các ứng dụng của nó trong lĩnh vực y tế

Một lần nữa em xin cảm ơn thầy Hiền và các anh chị cán bộ bệnh viện Hữu Nghị đã giúp em thực hiện bản báo cáo này

Sinh Viên

Vũ Tiến Mạnh

Quá trình thực tập

Trong quá trình thực tập tại bệnh viện Hữu Nghị vừa qua, được sự giúp đỡ tận tình của thầy Hiền cũng như các anh chị cán bộ đang công tác tại đây,em đã có điều kiện thăm quan và tìm hiểu về một số thiết bị y tế đang được sử dụng tại đây.Có rất nhiều các loại thiết bị với các ứng dụng khác nhau được sử dụng tại các phòng khoa trong bệnh viện:

Phòng kỹ thuật vật tư, hành chính quản trị, y tá trưởng gồm các thiết bị dựng để theo dõi quản lý trực tiếp các thiết bị liên quan đến phục vụ cho toàn bệnh viện:

Hệ thông khí y tế trung tâm Trung tâm tiệt trùng gồm có: máy hấp tiệt trùng, máy tiệt trùng nhiệt độ thấp, máy rửa dụng cụ, thiết bị đóng gói dụng cụ tiệt trùng

Hệ thống giặt là trung tâm

Hệ thống điện,Thang máy, điện lạnh

Hệ thống nước sạch và xử lý rác thải Khoa nội: máy siêu âm, máy điện tim ECG, máy thở, máy gây mê, máy lọc thận, máy tán sỏi …

Khoa ngoại phân chia theo nhiều phòng:

-Phòng mổ: bàn mổ, dao mổ điện, máy gây mê, máy phá rung tim, X-quang di động, các máy theo dõi…

-Phòng hồi sức: máy thở đa năng, bơm tiêm điện, máy theo dõi…

Khoa thần kinh: máy điện não, máy điện tim, máy điện cơ…

Khoa sản: máy siêu âm chẩn đoán, máy soi cổ tử cung…

Khoa huyết học: máy phân tích huyết học, máy xét nghiệm miễn dịch, máy li tâm, máy pha loãng…

Khoa sinh hoá: máy li tâm, may xét nghiệm sinh hoá, PH và khí máu, máy điện giải…

Khoa u bướu: máy Cobalt 60, máy gia tốc tuyến tính, cyberknife,máy xạ trị áp sát…

Khoa tai mũi họng: máy soi mũi xoang, máy đo thị lực, máy trợ thính…

Khoa chẩn đoán hình ảnh: máy CT, máy MRI, máy X quang, máy siêu âm…

PHƯƠNG PHÁP CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN

Sự ra đời của máy chụp cắt lớp điện toán là một cuộc cách mạng Nó không sử dụng các phương pháp tạo ảnh bình thường từ các thụ thể, như là phim hoặc tạo ảnh bằng ống khuyếch đại Nó được thay thế bởi ống chuẩn trực chùm tia X hướng tới bệnh nhân Cường độ chùm bức xạ được điều khiển bởi máy tính Sau khi tín hiệu được phân tích từ bộ thu nhận tia X Máy tính sẽ khôi phục lại hình ảnh và hiển thị trên máy theo dõi bệnh nhân Ảnh được chụp để lưu lại và đánh giá Máy tính xây dựng lại mặt cắt ngang cơ thể, kết cấu cơ thể được hoàn thành với sự phân chia ra các phần bằng nhau (thuật toán phỏng theo của máy tính)

Hoạt động của máy chụp cắt lớp điện toán mang lại hiệu quả cần thiết, các chuyên gia công nghệ y sinh nên biết về sự phát triển của máy chụp cắt lớp điện toán, về cấu tạo hệ thống, đặc điểm quá trình tạo ảnh của nó Nội dung của phần 1 này là sự mô

tả tổng quan nhất về phương pháp chụp cắt lớp điện toán

Somatom của Siemens

I.1 Lịch sử và mô tả của máy CT

Những thành phần tạo nên máy chụp cắt lớp điện toán ra đời bởi nhà vật lý y học

từ 30 năm trước Godfrey Hounsfield, một kỹ sư vật lý làm việc cho công ty EMI,Ltd

Cormack trình bày về sự dễ dàng khi tính toán sử dụng phương pháp xây dựng lại ảnh bằng máy CT

Tufts University Medford, Central Research Laboratories, EMI

Hình 1.1Hai nhà bác học được nhận giải Nobel Y học vì những đóng góp cho sự phát triển máy chụp cắt lớp điện toán

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 vi tính, 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

máy vi tính chụp cắt lớp sau này với các cải tiến kỹ thuật giúp phân tích hình ảnh nhanh hơn

Tia X khi đi ngang qua nội tạng sẽ cho hình ảnh trên phim Hình ảnh ấy tùy thuộc vào cấu trúc các mô của cơ quan mà tia X đi ngang qua và thường không rõ nét ở chiều sâu, vì thế cần phải chụp bổ sung trực diện hoặc hai bên Hơn nữa việc đọc phim cũng tùy vào năng lực chuyên môn của người chụp và tính chất bất thường của bệnh lý

Vì thế kết quả X-quang không tránh khỏi mang tính chủ quan và dễ sai lệch Do đó sau này kỹ thuật chụp cắt lớp phân tầng (tomography, theo tiếng Hy Lạp tomos = vết cắt, graph = ghi lại) đã phát triển thêm để phân lập hình ảnh nội tạng bị bệnh Tuy có tiến

bộ nhưng vẫn chưa thỏa mãn được nhu cầu chẩn đoán sớm bằng hình ảnh

Ngoài ra tia X còn có những hạn chế như không thể dựng tia X quá 25% và phim X-quang thiếu độ nhạy cần thiết tương ứng với độ dày các mô Từ đó ý tưởng sử dụng máy vi tính hỗ trợ chụp cắt lớp được hình thành để giải quyết vấn đề Và chỉ trong vòng

6 năm, nó đã trở thành một sự kiện mang tính cách mạng trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh y khoa

Máy CT là dụng cụ chuẩn đoán vô giá cho bác sĩ X quang Việc phát triển và đưa

nó vào phục vụ bác sĩ có tầm quan trọng như việc phát hiện ra tính chất gián đoạn Snook của máy biến thế, Ống Coolidge tạo ra tia X quang, màng nhăn Potter-Bucky

Máy chụp cắt lớp điện toán không sử dung phương pháp tạo ảnh thông thường Không có ảnh tạo thông thường từ các thụ quan Trong máy CT, có ống chuẩn trực chùm tia X hướng tới bệnh nhân Cường độ chùm bức xạ được điều khiển bởi máy tính Sau khi tín hiệu được phân tích từ bộ thu nhận tia X Máy tính sẽ khôi phục lại hình ảnh

và hiển thị trên máy theo dõi bệnh nhân Ảnh được chụp để lưu lại và đánh giá Máy tính xây dựng lại mặt cắt ngang cơ thể, kết cấu cơ thể được hoàn thành với sự phân chia

ra các phần bằng nhau (thuật toán phỏng theo của máy tính)

Sự khác nhau về đặc điểm hoạt động và chất lượng ảnh là một bước tiến lớn của máy CT so với hầu hết các thiết bị thông thường trong lĩnh vực X quang

1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi chụp bụng bằng phương pháp X quang thông thường ảnh lập tức được tạo

Để có hình ảnh tốt hơn khi phẫu thuật cấu trúc ổ bụng ví dụ như quả thận Phương pháp chụp X quang truyền thống có thể được sử dụng.Trong kỹ thuật chụp X quang, các phần của thận sẽ rõ hơn bằng cách làm mờ các mô ở trên và dưới, thêm vào

đó sự tương phản của kết cấu sẽ tăng lên Song ảnh vẫn còn mờ và chưa rõ

Hình 1.2a So sánh hai phương pháp X quang truyền thống và CT

Phương pháp chụp X quang thông thường là chiếu X quang theo trục dọc, từ đó mặt phẳng của ảnh đặt song song với trục dọc cơ thể và kết quả của mặt cắt dọc và hình ảnh vòng Máy CT là loại máy tịnh tiến theo chiều dọc hay là máy tác động ảnh theo chiều ngang Các ảnh tạo ra vuông góc suốt chiều dài cơ thể ( hình 1.2b)

Hình 1.2b Phương pháp tạo ảnh thông thường cho ảnh song song với chiều dài cơ thể CT cho ảnh theo chiều ngang

Sự chính xác cho bởi phương pháp tạo ảnh theo mặt cắt ngang là một quá trình phức tạp và nó phụ thuộc vào sự hiểu biết về vật lý, điều hành máy móc, và khoa học máy tính Về cơ sở nguồn gốc bằng cách nào đó có thể giải thích nếu bạn cân nhắc kỹ cấu trúc cơ bản của hệ thống CT Một hệ thống CT đơn giản nhất gồm có một ống

chuẩn trực chùm tia X và một bộ phát hiện đơn ( hình 1.2c) Nguồn phát tia X và bộ phát hiện được kết nối với nhau với mục đích di chuyển đồng bộ Khi nguồn và bộ phát hiện kết hợp với nhau tạo ra sự quét hay sự tịnh tiến, ngang qua bệnh nhân, qua cấu trúc bên trong cơ thể chùm tia X bị suy giảm theo mức độ khác nhau tuỳ theo mật độ khối lượng và số nguyên tử của mô cần khảo sát

Hình 1.2c: Ở dạng đơn giản nhất, máy quét CT gồm 1 chùm tia X chuẩn trực và 1 máy dò, cả 2 bộ phận này chuyển động đồng thời tịnh tiến – xoay

Cơ sở vật lý của CT chính là hiện tượng hấp thụ bức xạ tia X của cơ thể Tia X được tạo ra khi dòng electron từ dây tóc bị đốt nóng đập vào anode làm bằng vật liệu Tungsten, hay Vonfram trong môi trường chân không Có hai loại tia X: tia X bức xạ hãm (Bremsstrahlung) và tia X đặc trưng (Characteristic X-ray) Thông thường, người

ta dựng tia X bức xạ hãm ở các khoảng năng lượng thích hợp (thường từ 25 keV đến

120 keV) Trong những trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như chụp cho tuyến vú, người ta phải dựng tia X đặc trưng Tia X phát ra từ nguồn có thể có dạng song hay dạng quạt

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

có tác dụng chuyển năng lượng tia X nhận được thành tín hiệu điện Đầu dò được dựng

có thể là đầu dò sử dụng khí hiếm Xenon ở áp suất cao (khoảng 25 atm) (hình1.2e), hoặc đầu dò bán dẫn (solid-state detector) (hình 1.2f)

Hình 1.2e : Đầu dò khí xenon

Hình 1.2f : Cấu tạo của đầu dò bán dẫn

Đầu dò bán dẫn gồm một lớp phát quang (scintillator) ghép với một photodiode Tia X sẽ tác dụng lên lớp phát quang tạo ra ánh sáng Ánh sáng này sẽ được photodiode chuyển thành tín hiệu điện Lớp phát quang được dựng gồm vật liệu CdWO4, nguyên tố Ytri (Yttrium), nguyên tố gadoli (gadolinium) thuộc họ Lanthan, và những vật liệu khác tuỳ theo nhà sản xuất Đầu dò bán dẫn có nhiều ưu điểm hơn đầu dò Xenon như: hệ số hấp thụ tia X tốt hơn, bề mặt đầu dò phẳng nên góc thu nhận rộng hơn đầu dò Xenon vốn có bề mặt cong Trong các thiết bị CT thế hệ mới, người ta dựng nhiều dãy đầu dò;

vì vậy, khả năng ứng dụng trong chẩn đoán của CT được mở rộng rất nhiều lần

Tín hiệu điện thu được từ đầu dò được đưa đến máy tính để xử lý Máy tính sẽ dựng 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 thụ (raw data) Dữ liệu thụ 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 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 dựng đa dãy đầu dò Nếu không hiệu chỉnh yếu tố này sẽ dẫn đến ảnh giả vòng (ring artifact or halo artifact)

Hình 1.2g : Sơ đồ khối của hệ thống máy quét CT

1.3 Các thế hệ máy CT

1.3.1 Máy CT thế hệ thứ nhất

Trước hết là mô tả ống chuẩn trực chùm tia X và bộ phát hiện đơn đồng bộ chuyển động tịnh tiến và quay liên tục quanh bệnh nhân là đặc điểm của máy CT thế hệ thứ nhất Máy CT thế hệ này cần có nhiều phép chiếu Những phép chiếu này được tạo

ra bằng cách quay hệ thống một góc nhỏ cỡ 1 0 quanh trục vuông góc với mặt phẳng chứa lớp cắt Như vậy hệ thống đo phải dịch chuyển theo một góc quay ít nhất là 180 0 Những số đo được mã hoá rồi truyền tới máy tính Dựa trên những số đo này, máy tính

sẽ tính ra những độ suy giảm và sự phân bố của những suy giảm này trên tiếp diện lớp cắt của đối tượng Những vùng có độ suy giảm cao được ấn định giá trị cao và ngược lại Hạn chế của thế hệ này là thời gian phát tia gần 5 phút mới xong

Máy CT thế hệ 1:

xạ phân tán tăng lên Điểm bất lợi này giống cách tạo ảnh X quang thông thường Thêm

sự bất lợi nữa là sự tăng lên của cường độ hướng tới cạnh chùm tia làm mờ phim Một

bộ lọc bù có thể giải quyết vấn đề này Đặc điểm nổi bật của máy CT đời thứ 2 được thể hiện trên hình 7

Hình 1.3.2a : Hình ảnh của 2 chùm tia X quang sử dụng trong máy chụp cắt lớp Với chùm tia hình quạt, bộ lọc đôi khi được sử dụng để cân bằng cường độ tia X đến máy dò

Hình 1.3.2b Máy CT thế hệ thứ 2 sử dụng mô hình tịnh tiến quay với nhiều đầu dò nhận chùm tia hình quạt

Lợi thế chủ yếu của máy CT đời thứ 2 là tốc độ Những máy này có từ 5 đến 30 đầu dò gần nhau Bởi vậy thời gian quét ngắn hơn Vì có nhiều đầu dò xếp thành hàng, chỉ một chuyển động tịnh tiến đơn cũng giống như vài chuyển động tịnh tiến với máy CT đời 1 Do đó mỗi chuyển động tịnh tiến đơn sẽ làm góc quay lệch đi 5 độ hoặc hơn Với một lần quay lệch đi 10 độ, chỉ cần 18 lần tịnh tiến đơn để quét được 180 độ

Máy CT đời thứ 2:

Cấu hình chuyển động tịnh tiến-quay

Chùm tia X hình quạt

Nhiều máy phát hiện xếp theo hàng

Thời gian quét là 30s

1.3.3 Máy CT thế hệ thứ ba

Hình 1.3.3.a.Máy CT thế hệ thứ 3

Sự hạn chế của máy CT thế hệ thứ hai là thời gian kiểm tra 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 ( hình 8) Giống như một trục quay cố định, máy CT thế hệ thứ

ba có thể xây dựng ảnh trong 1s

Hình 1.3.3bMáy CT thế hệ 3 sử dụng mô hình quay cùng với chùm tia X và nhiều đầu dò quay xung quanh bệnh nhân

hơn máy CT đời 2 Trong máy CT thế hệ 3, chùm tia và các đầu dò bố trí xung quanh bệnh nhân

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 Hình 9

so sánh chức năng các đầu dò của các máy CT thế hệ 2 và 3

Hình 1.3.3cMảng detector tuyến tính là đặc điểm của máy CT thế hệ thứ nhất và thứ hai; mảng cong thường được sử dụng trong các máy CT thế hệ thứ ba và thứ tư

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