Giới thiệu chung về máy CT xoắn ốc trong y học

Với ứng dụng này, nhiều thiết bị hình ảnh y khoa được đáp ứng được kể đến như máy X-quang, CT, MRI, SPECT, PET, máy gia tốc…Máy CT ứng dụng trong công nghiệp dùng để kiểm tra khuyết tật

Đề Tài:

SVTH : Huỳnh Hoàng Phúc CBHD: Th.S Nguyễn Văn Hòa CBPB : CN Lê Công Hảo

Thành phố Hồ Chí Minh_ 2007

nhiên Giờ đây mỗi người sắp xa rời ngôi trường thân quen với biết bao

kĩ niệm Cũng với ngôi trường này nơi chúng tôi đã tiếp thu những sự dạy bảo của thầy cô, những kiến thức quan trọng trong lĩnh vực hạt nhân

và những lĩnh vực khác

Trước hết tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Hòa, người đã dạy bảo và hướng dẫn tận tình để tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng gởi lời cảm ơn đến thầy Mai Văn Nhơn người đã phân công tôi thực hiện luận văn này Tôi xin gởi lời cảm ơn đến thầy cô bộ môn vật lý hạt nhân đã cho tôi điều kiện để hoàn thành luận văn và các thầy cô đã giảng dạy trong suốt 4 năm học

Bên cạnh đó tôi cũng không quen công lao to lớn của cha me, anh chị đã nuôi nấng và dạy bảo tôi nên người

Sau cùng là các bạn lớp vật lý hạt nhân 2002(cátrê 02) đã động viên, cổ vũ tôi và trao đổi ý kiến qúy báu trong suốt quá trình học tập, và lời chúc thành công đến các bạn

CHƯƠNG 1:

CƠ SỞ VẬT LÝ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT 3

1.1 Tương tác giữa electron với vật chất 3

1.1.1 Ion hóa và kích thích 3

1.1.2 Bức xạ hãm 3

1.2 Tương tác giữa photon với vật chất 4

1.2.1 Hiệu ứng quang điện 4

1.2.2 Hiệu ứng Compton 5

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 5

1.2.4 Độ suy giảm chùm tia 5

CHƯƠNG 2 8

NGUYÊN TẮC CT 2.1 Máy X-quang qui ước 8

2.2 Máy CT qui ước 9

CHƯƠNG 3 14

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CT XOẮN ỐC 3.1 Hệ thống CT thứ nhất: quay/dịch ngang 14

3.2 Hệ thống CT thứ hai: quay/dịch ngang 15

3.3 Hệ thống CT thứ ba: quay/dịch ngang 16

3.4 Hệ thống CT thứ tư: quay/dừng 16

CHƯƠNG 4 19

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO ẢNH CT VÀ PHƯƠNG PHÁP HIỂN THỊ ẢNH CT 4.1 Phương pháp chiếu ngược 19

4.2 Phương pháp chiếu ngược sau lọc 21

4.3 Phương pháp nghịch đảo Brute 21

4.4 Phương pháp lặp lại 22

4.5 Phương pháp biến đổi Fourier 2 chiều 24

4.6 Phương pháp hiển thị ảnh CT 26

CHƯƠNG 5 CẤU TRÚC MÁY CT XOẮN ỐC 28

5.1 Hệ thống thu thập dữ liệu 29

5.2 Bàn bệnh nhân 34

5.3 Hệ thống máy tính 35

5.4 Bàn điều khiển 35

5.5 Máy chụp phim: 35

CHƯƠNG 6 36

ỨNG DỤNG MÁY CT XOẮN ỐC TRONG Y HỌC 6.1 Chụp cắt lớp nội sọ 36

6.2 Chụp cắt lớp phổi 36

6.7 Chụp cắt lớp cột sống 37

6.8 Chụp cắt lớp huyết học máu-ung thƣ máu 37

6.9 CT Angiography (CTA) 37

Kết luận……… 39

SCT : Spiral Computed Tomography

SSCT : Single Spiral Computed Tomography

MSCT : Multi-Slice Computed Tomography

EBCT : Electron Beam Computed Tomography

SPECT : Single Photon Emission Computed Tomographic PET : Positron Emission Tomographic

MRI : Magnetic Resonance Imaging

DAS : Data Acquisition System

SSP : Single Sensitivity Profile

EMI : Electric Musical Instrument

CTA : Computed Tomography Angiography

Ngày nay, vật lý hạt nhân cũng góp phần quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống xã hội Vật lý hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp,

y học và nông sinh Với ứng dụng này, nhiều thiết bị hình ảnh y khoa được đáp ứng được kể đến như máy X-quang, CT, MRI, SPECT, PET, máy gia tốc…Máy CT ứng dụng trong công nghiệp dùng để kiểm tra khuyết tật của vật thể, độ mài mòn của kim loại, kiểm tra trong công nghiệp dầu khí xác định sự

rò rỉ trong đường ống dẫn dầu, trong y học dùng để chụp cắt lớp toàn bộ cơ thể con người, từ đó phát hiện những đặc điểm bất thường của tế bào

Kể từ khi lần đầu tiên Hounsfied phát minh ra máy CT vào năm 1972 sử dụng tia X và được ứng dụng trong y học Nguyên mẫu dùng 180 số đo song song, quay quanh góc 180 độ, mỗi lần 1 độ, mỗi lần quét khoảng 5 phút, hình ảnh thu được trong 35 giờ Đây cũng là điều bất lợi đối với bệnh nhân bởi vì thời gian quét dài, liều phóng xạ cao hơn Để khắc phục điều này, nhiều thế hệ máy CT được cải tiến, hoàn thiện và nâng cao trong việc lập kế hoạch chẩn đoán và điều trị bệnh nhân Máy cắt lớp điện toán xoắn ốc ( Spiral Computed Tomography ) đã mở đường cho các loại máy CT nhờ khả năng tái tạo ảnh nhanh, thời gian quét cắt lớp ngắn, giảm liều phóng xạ cho bệnh nhân, nhờ đó giảm thời gian chiếu xạ cho bệnh nhân Máy CT xoắn ốc hoàn thiện hơn do khả năng tái tạo ảnh, hình ảnh thu được tương đối rõ ràng, chính xác, khả năng này được ứng dụng trong việc phát hiện sớm các loại bệnh ung thư, bệnh tim mạch

và các loại bệnh nguy hiểm khác

Vì thế các loại máy CT là thiết bị xâm lọc cao, không gây đau đáp ứng 1 phần nào đó trong y học, góp phần vào việc điều trị bệnh nhân một cách có hiệu quả Máy CT xoắn ốc( thế hệ thứ sáu ) có những tính năng vượt trội hơn các máy CT khác vì thế nó tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực CT Máy CT này cải thiện hơn về tốc độ quét, thời gian quét trong vài giây, phát hiện những

toàn bộ cơ quan

Trong phần luận văn này, tôi xin trình bày và giới thiệu chung về nguyên tắc vật lý, các phương pháp tái tạo ảnh, phương pháp thu thập dữ liệu không đi sâu vào các công thức toán học của kĩ thuật tái tạo ảnh và ứng dụng của máy CT xoắn ốc trong y học do thời gian làm đề tài có giới hạn

Với luận văn này giúp cho chúng ta hiểu biết sâu hơn về các đặc tính kĩ thuật của máy CT xoắn ốc, cũng như ứng dụng rộng rãi của nó trong y học góp phần trong việc bảo vệ tính mạng của con người Máy CT và các loại máy khác

hỗ trợ lẫn nhau về kĩ thuật như sự kết hợp giữa SPECT/CT, PET/CT nhằm tạo

ra hướng mới trong việc phát hoạ cho các thiết bị hình ảnh học y khoa cho mục đích chẩn đoán, xa trị và xạ phẩu

LỜI MỞ ĐẦU

Cho tới ngy nay, vật lý hạt nhn đ v đang có những đóng góp quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống x hội Vật lý hạt nhn được ứng dụng rộng ri trong cơng nghiệp, y học v nơng sinh Với ứng dụng ny, nhiều thiết bị hình ảnh y khoa được đáp ứng được kể đến như máy X-quang, CT, MRI, SPECT, PET, máy gia tốc…Máy CT ứng dụng trong công nghiệp dùng để kiểm tra khuyết tật của vật thể,

độ mài mịn của kim loại, kiểm tra trong cơng nghiệp dầu khí xc định sự rị rỉ trong đường ống dẫn dầu, trong y học dùng để chụp cắt lớp toàn bộ cơ thể con người, từ

đó phát hiện những đặc điểm bất thường của tế bào

Kể từ khi lần đầu tiên Hounsfied phát minh ra máy CT vào năm 1972 sử dụng tia X được ứng dụng trong y học Ban đầu máy CT dùng 180 số đo song song, quay quanh góc 180 độ, mỗi lần 1 độ, mỗi lần quét khoảng 5 phút, hình ảnh thu được trong 35 giờ Đây cũng là điều bất lợi đối với bệnh nhân bởi vì thời gian qut

di, liều phĩng xạ cao hơn Để khắc phục điều này, nhiều thế hệ máy CT được cải tiến, hoàn thiện và nâng cao trong việc lập kế hoạch chẩn đoán và điều trị bệnh nhân Máy cắt lớp điện toán xoắn ốc (Spiral Computed Tomography) đ mở đường cho các loại máy CT nhờ khả năng tái tạo ảnh nhanh, thời gian quét cắt lớp ngắn, giảm liều phóng xạ cho bệnh nhân, nhờ đó giảm thời gian chiếu xạ cho bệnh nhân Máy CT xoắn ốc hoàn thiện hơn do khả năng tái tạo ảnh, hình ảnh thu được tương đối r rng, chính xc, khả năng này được ứng dụng trong việc phát hiện sớm các loại bệnh ung thư, bệnh tim mạch và các loại bệnh nguy hiểm khác

Vì thế cc loại my CT l thiết bị xm lọc cao đáp ứng phần nào đó trong y học, góp phần vào việc điều trị bệnh nhân một cách có hiệu quả Máy CT xoắn ốc (thế hệ thứ sáu) có những tính năng vượt trội hơn các máy CT khác vì thế nĩ tạo ra cuộc cch mạng trong lĩnh vực CT My CT ny cải thiện hơn về tốc độ quét, thời gian quét trong vài giây, phát hiện những vùng thương tổn của tế bào dưới 1 mm nhưng cho

ra những hình ảnh chính xc, sắc nt đáp ứng tính chuẩn xác trong việc chẩn đoán bệnh Máy CT xoắn ốc đ tạo ra bước đột phá trong kĩ thuật CT nhờ vào khả năng tái

tạo ảnh liên tục, hình ảnh 3D tương đối r rng nhờ vo ảnh số hố của ma trận ti tạo của tồn bộ cơ quan

Trong phần luận văn này, tôi xin trình by v giới thiệu chung về nguyn tắc vật

lý, cc phương pháp tái tạo ảnh, phương pháp thu thập dữ liệu không đi sâu vào các công thức toán học của kĩ thuật tái tạo ảnh và ứng dụng của máy CT xoắn ốc trong

y học

Với luận văn này giúp cho chúng ta hiểu biết sâu hơn về các đặc tính kĩ thuật của máy CT xoắn ốc, cũng như ứng dụng rộng ri của nó trong y học góp phần trong việc bảo vệ tính mạng của con người Máy CT và các loại máy khác hỗ trợ lẫn nhau về kĩ thuật như sự kết hợp giữa SPECT/CT, PET/CT nhằm tạo ra hướng mới trong việc phát hoạ cho các thiết bị hình ảnh học y khoa cho mục đích chẩn đoán, xa trị và xạ phẩu

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ VẬT LÝ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT

1.1 Tương tác giữa electron với vật chất:

1.1.2 Bức xạ hãm:

Khi electron có năng lượng cao nó có thể đến gần hạt nhân của nguyên tử mỗi chất Quỹ đạo của nó bị lệch dưới tác dụng của trường tĩnh điện (trường Coulomb) Năng lượng mất đi của electron chuyển thành photon, các photon này tạo thành bức xạ hãm Bức xạ hãm chính là bóng phát tia X Ta thấy rằng tỉ số hao năng lượng trên đường đi tạo bức xạ hãm (dEe /dX hãm) và tạo cặp ion (dEe /dX ion hóa) tùy thuộc vào năng lượng Ee của hạt và nguyên tử số Z của mỗi chất :

Ta thấy năng lượng của electron càng lớn và số nguyên tử Z của mỗi chất cng lớn thì thnh phần bức xạ hm cng lớn

1.2 Tương tác giữa photon với vật chất:

Khi tương tác với môi trường vật chất, photon sẽ gây ra 3 hiệu ứng sau:

- Hiệu ứng Quang điện

- Hiệu ứng Compton

- Hiệu ứng tạo cặp

1.2.1 Hiệu ứng quang điện:

Chủ yếu xảy ra với bức xạ có năng lượng từ 0,01 đến 0,1 MeV Photon va chạm với nguyên tử và truyền toàn bộ năng lượng E =h cho một electron quỹ đạo chuyển nó thành electon tự do gọi là quang electron Đối với photon có năng lượng

đủ lớn, xác xuất xảy ra lớn nhất đối với các electron từ lớp K, động năng của quang electron được xác định bởi:

Với h: Năng lượng photon

Ai : năng lượng cần thiết để đánh bật một electron ra khỏi lớp i

Quang electron đi trong môi trường vật chất bị tán xạ mất dần năng lượng Hiệu ứng quang điện là một trong những nguyên nhân làm suy giảm chùm photon Các hệ số suy giảm tuyến tính, hệ số truyền năng lượng tuyến tính , hệ số hấp thụ tuyến tính đối với hiệu ứng quang điện được ký hiệu lần lượt là , k, en Tỉ

số giữa các hệ số tuyến tính ở trên và khối lượng riêng  của môi trường là các hệ

X hay tia photon cĩ năng lượng tương đối thấp v trong vật chất cĩ Z lớn

Xc xuất sinh ra hiệu ứng quang điện ty thuộc vo năng lượng của chm photon

v bản thn mơi chất

Xc xuất t = k(Zm/En)

Với k : hằng số

Z : Nguyn tử số của mỗi chất

E : Năng lượng photon

m v n l những hệ số thay đổi ty theo mức năng lượng E

khi E < 0,1 MeV thì m = 4,n = 3

Đối với cc chất cĩ Z lớn thì xc suất của hiệu ứng quang điện lớn Khi năng

lượng phtoton E > 2 MeV thì hiệu ứng quang điện rất yếu Trong mơi trường cĩ Z b

như nước hay mơ thì hệ số hấp thụ năng lượng en xấp xỉ bằng hệ số truyền năng

lượng k v hệ số suy giảm tuyến tính 

1.2.2 Hiệu ứng Compton

Trong hiệu ứng Compton một photon năng lượng E = h va chạm với electron

ở tầng ngồi của nguyn tử v truyền một phần năng lượng cho elecctron ny, lm cho

electron thốt khỏi nguyn tử Bản thn photon bị lệch hướng với 1 gĩc tn xạ  v năng

lượng cịn lại l E' = hý

Gọi  l gĩc tia X bị tn xạ so với phương tới Ta cĩ :

hý=

2 0

)cos1(1

c m hv

với m0 c2 l năng lượng nghĩ của electron Dựa trn định luật bảo tồn năng

lượng v bảo tồn động lượng cĩ thể tính năng lượng electron trong hiệu ứng Compton

theo biểu thức sau:

a

a

)cos1(

)cos1(

h

0

(1.5)

Hiệu ứng Compton l một trong những nguyn nhn lm suy giảm chm photon

Hệ số suy giảm tuyến tính giảm khi năng lượng h của photon tăng dần

Đối với cc tổ chức cơ thể, hiệu ứng compton cĩ vị trí chủ yếu

1.2.4 Độ suy giảm chùm tia:

Khi photon truyền qua mỗi chất do có ba hiệu ứng trên nên số photon bị hấp thụ dần Đối với một chùm photon song song và đơn năng thì cường độ bức xạ I truyền qua vật chất có bề dày hấp thụ d tuân theo qui luật giảm theo hàm mũ

Với I0 : Cường độ chùm tia tới

I : Cường độ chùm tia sau khi đi qua chiều dày của mỗi chất (cm)  : hệ số hấp thụ tuyến tính (cm-1)

Hệ số hấp thụ  bằng tổng các hệ số hấp thụ do các hiệu ứng quang điện (), Compton () và tạo cặp ()

 =  +  +  (1.8)

CHƯƠNG 2 NGUYÊN TẮC CT 2.1 Máy X-quang qui ước:

Máy X-quang qui ước phát chùm tia X từ bóng X-quang đi xuyên qua toàn bộ

bề dày của phần cơ thể cần xét nghiệm gồm nhiều tổ chức mô rồi tạo ảnh trên phim (hình 2.1) Hình ảnh trên phim là ảnh tổng hợp của nhiều ảnh chồng lên nhau của tất cả các tổ chức mô nằm trong chùm tia Vị trí không gian và độ đậm riêng của mỗi ảnh tổ chức mô sẽ không được tách biệt và xác định chính xác trong phim (hình 2.2) Ngoài ra, các thông tin chẩn đoán trong ảnh chỉ có thể được đánh giá định tính, không thể đánh giá được định lượng

Hình 2.1: chụp phổi bằng máy X-quang thông thường

Hình 2.2: ảnh hai vật thể trùng nhau trong X quang qui ước

2.2 Máy CT qui ước :

Máy CT thu dữ liệu (số photon truyền qua cơ thể) trong các ảnh chiếu từ nhiều

hướng khác nhau xuyên qua cơ thể để tái tạo nên tập ảnh số hóa của các lát cắt trong cơ thể Mỗi ảnh lát cắt là một ma trận các nguyên tố ảnh (pixel) mang thông tin về độ suy giảm bức xạ (hệ số suy giảm µ) của mỗi phần tử thể tích (voxel) của

ma trận lát cắt cơ thể (ma trận ghi hình) tương ứng (hình 2.3)

Một thuật toán tái tạo sẽ được máy tính sử dụng để tính ra các hệ số µ của ma trận lát cắt từ các giá trị P đã có

Từ ảnh các lát cắt CT, có thể phát hiện và phân biệt các vật thể nằm trong các lát cắt

ở các vị trí khác nhau với độ phân giải cao, đồng thời định lượng được các độ hấp thụ tia X riêng của chúng để chẩn đoán và điều trị (hình 2.4)

Giả sử ma trận ghi hình của 1 lát cắt có 4 nguyên tố thể tích (voxel) với các hệ số hấp thụ tuyến tính  đối với chùm tia X như sau :

Cường độ photon tia X truyền qua các nguyên tố thể tích nằm trên hàng 1, hàng 2 của ma trận lát cắt 2x2 và cường độ photon ban đầu I0 được đo bởi các đầu dò D1 ,

D2 và DR và được tính lần lượt theo thứ tự như sau:

I1 = I0 e - ( 11 +12) x

I2 = I0 e - ( 21 +22) x

IR = I0

Trong đó :

x : kích thước pixel của ma trận tái tạo

Từ hệ phương trình trên , suy ra :

Các giá trị  (4 giá trị) chỉ được xác định nếu có đủ hệ 4 phương trình tuyến tính như trên Do đó ta cần phải thu thập thêm dữ liệu (đo các giá trị Ii) từ 2 phép chiếu khác nhau Ta có :

Tư 4 phép chiếu và các số đếm thu thập được, ta có 4 phương trình như sau:

P1 = Ln(I0 /I1) = ( 11+12).x

P2 = Ln(I0 /I2) = ( 21+22).x

P3 = Ln(I0 /I2) = ( 12 +22).x

P4 = Ln(I0 /I3) = ( 11+21).x

Từ hệ 4 phương trình trên tính ra được các giá trị của 11 ,12 , 21 , 22

Nếu có ma trận với mn phép chiếu ta được kết quả tương tự

Hình 2.5: Ma trận 2D của hệ số tuyến tính tương ứng với từng mô

Nếu cần một ma trận lát cắt có 512 x 512 phần tử (voxel) thì phải cần đến 512 x

512 phương trình để tính ra 512 x 512 giá trị  khác nhau , do đó cần rất nhiều phép chiếu từ nhiều hướng khác nhau để có đủ dữ liệu tái tạo ảnh Ma trận lát cắt càng lớn, phép chiếu càng nhiều và độ phân giải ảnh sẽ càng cao (nếu số photon và thời gian chiếu đủ lớn và các yếu tố khác thỏa mãn yêu cầu về chất lượng ảnh)

Từ các phương trình trên, nếu cho X bằng một đơn vị thì các giá trị Pi chính

là tổng các giá trị  của các nguyên tố thể tích nằm trên đường đi của chùm tia tương ứng

Sau khi thu thập dữ liệu các lát cắt từ một bệnh nhân cụ thể, các giá trị Piđược tính, được số hoá và lưu trữ trong máy tính Phân bố không gian của các giá trị

Pi thu được từ một hướng chiếu sẽ tạo ra một ảnh chiếu ( projection hay Image Profile)

CHƯƠNG 3

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CT XOẮN ỐC

CT được phát minh bởi Genius Godfrey N.Housefied ở Ele vào năm 1967tại phòng thí nghiệm Electric Musical Instrument (EMI) Năm 1972, Dr.Housefied cho

ra đời máy CT lâm sàng đầu tiên CT xoắn ốc được Kalender và các cộng sự phát minh vào cuối năm 1980 Hãng Siemens giới thiệu máy quét CT xoắn ốc vào năm

1990

Từ khi ra đời cho đến nay, nhiều thế hệ máy CT đã được nghiên cứu chế tạo

và đưa vào ứng dụng trong y học

Các hệ thống quét CT khác nhau về kỹ thuật thu thập dữ liệu và khả năng xử lý dữ liệu ảnh tương ứng

3.1 Hệ thống CT thứ nhất: quay/dịch ngang

Máy chiếu chùm tia X nhỏ (pencil-thin beam) qua bệnh nhân và ghi nhận bởi một hoặc hai detector Hệ thống dịch chuyển quay/dịch ngang từng bước nhỏ hệ thống nguồn X và detector quanh bệnh nhân để thu thập dữ liệu ảnh chiếu Trong máy quét EMI, hệ quay vòng tổng 180 độ để thu được 180 ảnh chiếu Cần khỏang 4,5 phút để ghi hình và 1,5 phút để tái tạo ảnh lát cắt, sử dụng 3 detector nhấp nháy (NaI) với ống nhân quang điện

Hình 3.1: Thế hệ CT thứ nhất 3.2 Hệ thống CT thứ hai: quay/dịch ngang:

Hệ thống này tăng số detector và dùng chùm tia rẻ quạt Hệ thống quay/dịch ngang với thời gian quét khá nhanh (cở 18 giây/lát cắt) Bước quay được gia tăng từ

1 độ lên 3 độ Thu thập được nhiều dữ liệu hơn để cải tiến chất lượng ảnh

Hình 3.2: Thế hệ CT thứ hai

3.3 Hệ thống CT thứ ba: quay/dịch ngang

Máy quét CT tăng cao về tốc độ thu dữ liệu và xử lý ảnh nhờ sử dụng chùm tia

rẻ quạt rộng và một dãy detector quay đồng thời, giảm thời gian quét còn 10 giây mỗi lát cắt, đủ ngắn để ghi hình phổi hoặc ngực trong khi những thế hệ máy quét trước chỉ giới ở đầu hoặc tay, chân