Thiết bị chẩn đoán hình ảnh có rất nhiều loại, cơ bản gồm có: Máy X quang, máy cộng hưởng từ MRI, máy chụp cắt lớp điện toán CT, Máy chụp mạch Angriopraphy, Máy siêu âm Ultrasound,… Tron
Trang 11
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết Nội dung trong luận văn
có tham khảo và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo Các số liệu
có nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố
trong các công trình nghiên cứu khác
Hà Nội, ngày 16 tháng 09 năm 2014
Tác giả luận văn
Nguyễn Đức Hiếu
Trang 22
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
MỤC LỤC 2
DANH SÁCH KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 6
DANH SÁCH BẢNG BIỂU 8
DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
TÓM TẮT 14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH 15
1.1 Lịch sử phát triển 15
1.2 Vai trò và ứng dụng của chẩn đoán hình ảnh trong y tế 17
1.3 Phân loại thiết bị thiết bị chẩn đoán hình ảnh 18
1.3.1 Tạo ảnh bằng tia X 19
1.3.1.1 Tia X và tính chất của tia X 19
1.3.1.2 Cơ chế tạo ảnh 21
1.3.1.3 Phân loại các thiết bị chụp X quang 22
1.3.1.4 Ứng dụng của các thiết bị tạo ảnh X quang 23
1.3.2 Chụp cắt lớp điện toán (CT-scanner) 25
1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 25
1.3.2.2 Đánh giá và ứng dụng của chụp cắt lớp điện toán 26
1.3.3 Chụp cộng hưởng từ 27
1.3.3.1 Lịch sử phát triển 29
1.3.3.2 Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ 30
1.3.3.3 Đặc điểm MRI 31
Ưu điểm 31
Nhược điểm 32
1.3.3.4 Ứng dụng của MRI 32
1.3.4 Tạo ảnh bằng siêu âm 33
1.3.4.1 Khái quát về siêu âm 34
1.3.4.2 Nguyên tắc hoạt động 34
Trang 33
1.3.4.3 Cơ sở vật lý của siêu âm 35
1.3.4.4 Các loại kỹ thuật siêu âm 36
1.3.5 Tạo ảnh ứng dụng y học hạt nhân PET và SPECT 37
1.3.5.1 Nguyên lý tạo ảnh bằng y học hạt nhân 38
1.3.5.2 Các kỹ thuật tạo ảnh bằng y học hạt nhân 38
1.3.5.3 ứng dụng của tạo ảnh bằng y học hạt nhân 40
1.3.6 Tạo ảnh kết hợp 41
1.3.6.1 Kết hợp nhiều kỹ thuật tạo ảnh – xu hướng của chẩn đoán hình ảnh 41
1.3.6.2 PET/CT 42
1.3.6.3 Nguyên lý hoạt động của PET/CT 42
1.3.6.4 Ứng dụng PET/CT trong chẩn đoán và điều trị ung thư 43
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CHẨN ĐOÁN HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN 45
2.1 Lịch sử phát triển của CT 45
2.2 Nguyên lý tạo ảnh CT 48
2.3 Thuật toán tái tạo ảnh CT 52
2.3.1 Biến đổi Radon 52
2.3.2 Định lý lát cắt Fourier 56
2.3.3 Tái tạo hình ảnh từ các hình chiếu 57
2.3.3.1 Kỹ thuật tái tạo đại số (ART) : 57
2.3.3.2 Phương pháp chiếu ngược có lọc 58
2.4 Các thế hệ máy CT 60
2.4.1 Máy CT hế hệ thứ nhất: 60
2.4.2 Máy CT thế hệ thứ 2: Tịnh tiến - quay chùm rẻ quạt với góc mở nhỏ 61
2.4.3 Máy CT thế hệ thứ 3: 62
2.4.4 Máy CT thế hệ 4: 63
2.4.5 Máy CT sử dụng chùm electron: 64
2.4.6 Máy CT quét xoắn ốc (Spiral CT hay Helical CT): 66
2.4.7 Máy CT với đầu dò đa mảng: 67
Trang 44
2.5 Cấu trúc của một hệ thống CT 67
2.6 Các ưu nhược điểm của kĩ thuật chụp CT 67
2.6.1 Ưu nhược điểm của CT so với X-quang thông thường 67
2.6.2 So sánh CT và MRI 68
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT MÁY AQUILION ONE 320 CỦA TOSIBA 69
3.1 Tổng quan về máy Aquilion One CT320 69
3.1.1 Các đặc điểm nổi bật 70
3.1.2 Các thông số kĩ thuật của Aquilion One 70
3.2 Tìm hiểu cấu tạo của máy Aquilion One CT320 73
3.2.1 Hệ thống điều khiển (Console) 76
3.2.1.1 Nhiệm vụ của Console 76
3.2.1.2 Các thành phần của Console 76
3.2.1.3 Hoạt động của Console 77
3.2.1.4 Bàn điều khiển chung Operator Console 78
3.2.1.5 Giá máy chủ - CPU box 79
3.2.1.6 Thùng tái tạo ảnh – Reconstruction Boxes 80
3.2.2 Khoang máy (Gantry) 82
3.2.2.1 Các bộ phận bên ngoài của khoang máy 83
3.2.2.2 Các bộ phận bên trong giàn quay 84
Hệ thống định hướng tia X 85
Hệ thống chuẩn trực động 85
Động cơ dàn quay – Direct Drive Motor 86
Hệ thống chổi than và rãnh trượt 86
Các bộ phận khác trong khoang máy 86
3.2.3 Bàn bệnh nhân (Couch) 87
3.2.4 Hệ thống tạo tia X (X-Ray System) 88
3.2.4.1 Các bộ phận 88
3.2.4.2 chức năng của hệ thống X quang 88
3.2.4.3 Khối AC 89
Trang 55
3.2.4.4 Khối INVERTER 90
3.2.4.5 Khối HV multiplexer 91
3.2.4.6 Bóng phát tia X 92
3.2.5 Detector - Mảng đầu dò 93
3.2.5.1 Nhiệm vụ chính 93
3.2.5.2 Mảng đầu dò chính 93
3.2.5.3 Hoạt động của mảng đầu dò 94
3.2.6 Data Transfer System – Surecom 96
3.2.7 Giao tiếp DICOM 98
3.3 Ứng dụng đặc thù của máy Aquilion One CT320 100
3.3.1 Sự khác biệt của Aquilion One 100
3.3.2 Chụp thể tích động tim 4D 101
3.3.3 Chụp ảnh tưới máu perfusion 102
3.4 Sự vượt trội của Aquilion One so với các công nghệ đi trước 105
3.4.1 Siêu giảm liều với công nghệ SURE EXPOSURE 105
3.4.2 Chất lượng ảnh 110
3.4.3 Các chức năng đặc biệt 111
3.4.3.1 Chụp tưới máu đa chức năng 111
Chụp tưới máu toàn thân 111
Chụp tưới máu não 112
Tưới máu cơ tim 113
3.4.3.2 Các úng dụng giải phẫu tiên tiến 114
Phân tích dung lượng phổi 114
Quét đa mức năng lượng 114
Chụp tim khử loạn nhịp 115
3.4.4 Tối đa hóa khả năng chẩn đoán lâm sang 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO 118
Trang 66
DANH SÁCH KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
ADC Analog Digital Converter
AEC Automatic Exposure Control
ART Algebraic Reconstruction Technique
AVCONT Advanced Volume Control
CPU Central Processing Unit
DAS Data Acquisition System
D-con Display Control
DD motor Direct Driver Motor
DICOM Digital Imaging And Communications In Medicine
EPI Echo Planar Imaging
FDA U.S Food And Drug Administration
fMRI Functional Magnetic Resonance Imaging
ILST Iterative Least Squares Technique
MRA Magnetic Resonance Angiography
MRI Magnetic Resonance Imaging
NMR Nuclear Magnetic Resonance
PET Positron Emission Tomography
PET / MRI Positron Emission Tomography / Magnetic Resonance Imaging PET/CT Positron Emission Tomography / Computed Tomography
Trang 77
QV Charge/ Voltage Converters
Recon Box Reconstruction Box
S-con Scan Control
SCRT Surecom Rotational Tranfer
SIRT Simultaneous Iterative Reconstruction Technique
SPECT Single Photon Emission Computed Tomography
SPECT/CT Single Photon Emission Computed Tomography / Computed Tomography TIM Total Imaging Matrix
Trang 8
8
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Chỉ số CT 51
Bảng 3.1 Giàn máy - Gantry 70
Bảng 3.2 Khối phát tia X 71
Bảng 3.3 Bóng Tia X 71
Bảng 3.4 Hệ thống đầu dò 72
Bảng 3.5 Giường bệnh nhân – couch 72
Bảng 3.6 Khả năng quét 73
Bảng 3.7 Chất lựơng ảnh 73
Bảng 3.8 Dung lượng dữ liệu lưu trữ 73
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của máy chủ 79
Bảng 3.10 Các khối và nhiệm vụ từng khối trong Recon boxes 81
Bảng 3.11 Các công tắc nguồn trên khoang máy 84
Bảng 3.12 Bảng chế độ chụp theo tốc độ quay của giàn 94
Bảng 3.13 Các lớp giao tiếp DICOM được hỗ trợ trong Aquilion One 99
Bảng 3.14 So sánh khả năng tái tạo ảnh của Aquilion One và các máy CT khác 110
Bảng 3.15 Các phần mêm trong gói hỗ trợ SURE Technologies 116
Trang 99
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phân loại thiết bị chẩn đoán hình ảnh theo cơ sở vật lý 18
Hình 1.2 Máy chụp X-Quang thường qui 19
Hình 1.3 Nguyên lý cơ bản tạo ảnh X quang 22
Hình 1.4 Máy chụp cắt lớp điện toán SOMATOM Definition AS của Siemens 25
Hình 1.5 Máy chụp công hưởng từ 27
Hình 1.6 Máy chụp cộng hưởng từ 28
Hình 1.7 Máy siêu âm chẩn đoán 33
Hình 1.8 Máy chụp cắt lớp phát xạ positron 37
Hình 1.9 Máy chụp PET /CT 41
Hình 1.10 Cấu tạo cơ bản của máy PET/CT 43
Hình 2.1 Máy chụp cắt lớp điện toán 45
Hình 2.2 Hai nhà bác học được nhận giải Nobel vì những đóng góp cho CT 47
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo hệ thống máy CT scanner 48
Hình 2.4 Đầu dò khí Xenon 49
Hình 2.5 Đầu dò bán dẫn 49
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý quá trình chụp và tái tạo ảnh CT 52
Hình 2.7 Minh họa biến đổi Radon 52
Hình 2.8 Hình chiếu trùm quạt 55
Hình 2.9 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 59
Hình 2.10 Máy CT thế hệ thứ nhất: Chùm tia hình bút chì, chuyển động tịnh tiến - quay 60
Hình 2.11 Máy CT thế hệ thứ 2 với chùm tia hình rẻ quạt, đầu dò mảng, chuyển động kết hợp tịnh tiến – quay 61
Hình 2.12 Máy CT thế hệ thứ 3: Máy CT với chùm tia rẻ quạt đầu dò mảng vòng cung, chuyển động quay - quay 62
Hình 2.13 Nhiễu vòng xuất hiện ở máy CT thế hệ thứ 3 63
Trang 1010
Hình 2.14 Máy CT thế hệ thứ tư: Chùm tia rẻ quạt, đầu dò là một cung tròn chuyển
động quay - cố định 64
Hình 2.15 Máy CT sử dụng chùm electron, lái tia bằng điện tử 65
Hình 2.16 Mặt cắt dọc máy CT dùng chùm electron 65
Hình 2.17 Mặt cắt ngang máy CT dùng chùm electron 66
Hình 2.18 Máy CT xoắn ốc 66
Hình 2.19 Máy CT với đầu dò đa mảng 67
Hình 3.1 Máy chụp CT Aquilion One 320 lát cắt của TOSHIBA 69
Hình 3.2 Các bộ phận của Aquilion One trong phòng điều trị 74
Hình 3.3 Console – nằm trong phòng điều khiển của Aqualion One 75
Hình 3.4 Sơ đồ khối của hệ thống Aquilion One 76
Hình 3.5 Giản đồ bố trí Console 77
Hình 3.6 Giá máy chủ 79
Hình 3.7 Giản đồ của 2 thùng tái tạo ảnh Recon Box 1 và Recon Box 2 80
Hình 3.8 Khoang máy của Aquilion One 82
Hình 3.9 i(Station) với màn hình và máy tính trên khoang máy 83
Hình 3.10 Bộ phận hãm của khoang máy 83
Hình 3.11 Bảng điều khiển và màn hình hiển thị trên mặt trước của khoang máy 84
Hình 3.12 Hệ thống chổi than của Aquilion One 86
Hình 3.13 Cấu tạo của giường bệnh nhân 87
Hình 3.14 Sơ đồ khối của hệ thống tạo phát tia X trong Aquilion One 88
Hình 3.15 Khối AC được gắn trong thân giàn quay 89
Hình 3.16 Giản đồ của khối AC 90
Hình 3.17 Khối INVERTER được gắn trong giàn quay 90
Hình 3.18 Giản đồ của khối INVERTER 91
Hình 3.19 Khối HV trong giàn quay và các cáp kết nối liên quan 91
Hình 3.20 Giản đồ của khối HV 92
Hình 3.21 Hình ảnh mặt trên và dưới của bóng CXB-750E 92
Hình 3.22 Hệ thống đầu dò của Aquilion One 93
Trang 1111
Hình 3.23 38 bộ ADC tương ứng với 38 mảng đầu dò, và bộ ADC tham chiếu 95
Hình 3.24 Lưu đồ của khối đầu dò và quét dữ liệu 95
Hình 3.25 Giản đồ của hệ thống truyền nhận dữ liệu gian quay Surecom 97
Hình 3.26 UPLINK với bộ truyền kép (bên trái) gắn trên khoang máy và 2 bộ nhận (bên phải) trên giàn quay 97
Hình 3.27 DOWNLINK với 2 bộ truyền kép (bên trái) gắn trên giàn quay và 4 bộ nhận (bên phải) trên khoang máy 98
Hình 3.28 SureCardio phát hiện loạn nhịp và điều chỉnh thời gian lấy mẫu 101
Hình 3.29 Hình ảnh tim tạo bởi Aquilion One 101
Hình 3.30 Ảnh chụp vành động mạch của tim 103
Hình 3.31 Ảnh chụp tưới máu toàn bộ ổ bụng 104
Hình 3.32 Ảnh chụp mạch đã được loại bỏ xương 104
Hình 3.33 Hình ảnh CT của 2 bệnh nhân có thể trạng cơ thể khác nhau và được điều chỉnh liều xạ phù hợp 107
Hình 3.34 Điều chỉnh liều xạ theo chiều dọc cơ thể bệnh nhân 108
Hình 3.35 Điều chỉnh liều xạ theo góc quay của khoang máy 109
Hình 3.36 Điều chỉnh liều xạ theo mật độ vật chất trong cơ thể người 109
Hình 3.37 Ảnh chụp tưới máu toàn thân 112
Hình 3.38 Ảnh tưới máu và theo dõi tĩnh mạch não 113
Hình 3.39 Phần mềm phân tích thể tích phổi 114
Hình 3.40 Chụp CT xoắn ốc đa mức năng lượng 115
Hình 3.41 SURE Cardio nhận dạng loạn nhịp và tạm ngưng thu ảnh 116
Trang 1212
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nhờ sự phát triển vượt bậc của nền khoa học kĩ thuật thế giới con người ngày càng được sinh hoạt và lao động trong những điều kiện tốt hơn trước Một phần quan trọng trong việc nâng cao mức sống con người là nhờ sự ứng dụng mạnh mẽ các tiến bộ khoa học trong lĩnh vực y tế chăm sóc sức khỏe cộng đồng Đã
có rất nhiều các phát minh ứng dụng được dùng trong chẩn đoán và điều trị bệnh và
đã cho chúng ta những kết quả đáng tự hào Lĩnh vực chẩn đoán luôn nhận được sự quan tâm, nghiên cứu nhằm mục đích có thể phát hiện sớm và kịp thời các căn bệnh hiểm nghèo
Hiện nay, các thiết bị chẩn đoán hình ảnh đang ngày càng phổ biến và gần như không thể thiếu trong các bệnh viện, các phòng khám Nó giúp ích rất nhiều cho các bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh Thiết bị chẩn đoán hình ảnh có rất nhiều loại, cơ bản gồm có: Máy X quang, máy cộng hưởng từ MRI, máy chụp cắt lớp điện toán CT, Máy chụp mạch Angriopraphy, Máy siêu âm Ultrasound,… Trong đó máy chụp CT có một vai trò rất quan trọng, nó cho ta được các ảnh cấu trúc của toàn cơ thể tốt nhất cho việc chẩn đoán điều trị bệnh đặc biệt là các tổn thương ở não và phần thân cơ thể
Ở nước ta hiện nay, phần lớn các máy chuẩn đoán hình ảnh đều được nhập ngoại, do các hãng nước ngoài sản xuất và lắp ráp, các tài liệu đi kèm hầu hết chỉ là hướng dẫn sử dụng mà không có tài liệu cho việc học tập và nghiên cứu, do đó việc tiếp cận để tìm hiểu công nghệ thực tế của các máy này là rất khó khăn, việc bảo dưỡng và sửa chữa đều bị phụ thuộc vào các hãng nên chi phí là rất tốn kém Trong khi đó ngành điện tử y sinh ở nước ta là một ngành mới, còn đang phát triển, cơ sở vật chất kỹ thuật dành cho thực hành và các tài liệu chuyên sâu về thiết bị chẩn đoán hình ảnh cũng không nhiều, đó cũng là một khó khăn cho những ai muốn nghiên cứu về Thiết bị chẩn đoán hình ảnh
Trong đồ án này em chỉ xin được giới thiệu tổng quan về các loại thiết bị chẩn đoán hình ảnh và đi sâu tìm hiểu máy chụp cắt lớp điện toán CT320 một dòng
Trang 1313
máy mới do hãng TOSIBA, NHẬT BẢN sản xuất và lắp ráp.Trong đồ án này, em xin trình bày khái quát đặc điểm cấu tạo và hoạt động của máy máy chụp cắt lớp điện toán CT320 Vì đây là một dòng máy còn mới lạ đối với thị trường Việt Nam, Aquilion One - máy chụp CT 320 lớp hình ảnh động đầu tiên trên thế giới được xem là một cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo máy CT bởi lẽ nó giúp giảm thiểu đáng kể thời gian chẩn đoán các bệnh về tim và đột quỵ
Nên em hi vọng đồ án của mình sẽ giúp ích cho những ai muốn tìm hiểu và làm quen với dòng sản phẩm mới có rất nhiều ưu điểm nổi trội so với các thế hệ máy CT đã có phần lỗi thời đang được sử dụng tại Việt Nam
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đến bạn bè người thân, và đặc biệt là thầy Nguyễn Đức Thuận đã quan tâm hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để
em có thể hoàn thành tốt đồ án này
Hà nội ngày / / 2014
Học Viên
Nguyễn Đức Hiếu
Trang 14Phần đầu của đồ án trình bày về tổng quan các thiết bị chuẩn đoán hình ảnh trong y tế Phân loại các thiết bị chẩn đoán hình ảnh và điểm qua các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh tiên tiến hiện nay
Phần hai của đồ án tập trung tìm hiểu sâu hơn cấu tạo, nguyên lý hoạt dộng máy chụp cắt lớp điện toán và trong phần cuối của đồ án khảo sát máy chụp cắt lớp điện toán CT320 do hãng TOSIBA sản xuất Aquilion One - máy chụp CT 320 lớp hình ảnh động đầu tiên trên thế giới được xem là một cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo máy CT bởi lẽ nó giúp giảm thiểu đáng kể thời gian chẩn đoán các bệnh về tim và đột quỵ
Hi vọng bản đồ án sẽ là một tài liệu có ích cho việc tìm hiểu và sử dụng máy chụp cắt lớp CT320 tại Viêt Nam
Trang 15
Phim X quang đầu tiên là tấm kính tráng nhũ tương muối bạc, sau nhiều năm được thay thế bằng phim tráng nhũ tương 2 mặt cảm thụ tia X
Trong những thập kỷ từ 1910 - 1920, Bucky - Potter đã cải thiện chất lượng hình ảnh nhờ xóa được các tia khuyếch tán bằng lưới chống mờ Coolidge, Bowers tạo ra bóng có dương cực quay, tăng tuổi thọ cho bóng X quang
Các chất tương phản đã được sử dụng như Bismuth, các muối Iode, không khí được dùng để tăng đối quang cho một số tạng trong cơ thể đã được xử dụng từ những năm 1930
Mãi cho đến những năm 1950, kỹ thuật hình ảnh thứ hai là Y học hạt nhân (còn gọi là ghi hình phóng xạ hay xạ hình) lần đầu tiên được đưa vào ứng dụng trên lâm sàng với máy ghi hình gamma đặc biệt Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách đưa vào trong cơ thể một loại chất phóng xạ có liều rất thấp, chất này sẽ được các
cơ quan, nội tạng hấp thu rồi phát ra những tín hiệu phóng xạ được máy ghi hình gamma thu nhận và đo đạc
Siêu âm là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh thứ ba được đưa vào ứng dụng lâm sàng từ những năm 1960 Kỹ thuật này sử dụng một đầu dò phát ra chùm sóng âm thanh có tần số rất cao (gọi là sóng siêu âm mà tai người không nghe được) đi xuyên vào cơ thể, lan truyền đến các cơ quan nội tạng bên trong, tương tác năng lượng, sau đó một phần sóng được phản hồi trở lại và được đầu dò thu nhận, chuyển tín hiệu về bộ phận xử lý để cho ra những hình ảnh sống động của cơ quan nội tạng
đó mà ta thấy được như ngày nay Đây là kỹ thuật ứng dụng nguyên lý của sóng âm
Trang 1616
thanh, không bức xạ nên có tính an toàn sinh học cao Cho đến nay, nhờ những tiến
bộ trong công nghệ kỹ thuật số, cộng nghệ chế tạo máy, các kỹ thuật siêu âm Doppler màu, siêu âm 3 chiều, 4 chiều, siêu âm trong lòng các ống tiêu hóa, trong lòng mạch máu, đường tiết niệu… với các kích thước đầu dò ngày càng nhỏ nhưng
độ phân giải ngày càng cao đã nâng cao chất lượng hình ảnh cho chẩn đoán
Từ thập niên 1970, kỹ thuật số bắt đầu được ứng dụng vào X quang đã làm cuộc cách mạng trong chẩn đoán hình ảnh X quang số hóa hay X quang kỹ thuật số đã làm giảm đáng kể liều tia xạ phát ra khi chụp, chất lượng hình ảnh được nâng cao nhờ tăng độ phân giải không gian và phân giải tương phản Ngoài ra hình ảnh có thể được xử lý với các phần mềm, có thể dựng hình, tái tạo hình 3 chiều, nâng cao tính chính xác của chẩn đoán cũng như dễ dàng lưu trữ, truy cập và chuyển tải Đỉnh cao
về chiều sâu của sự kết hợp này là sự phát minh ra máy chụp X quang cắt lớp điện toán đã mang lại cho Hounsfield, được xem là cha đẻ của loại máy này, giải Nobel Sinh lý / Y học vào năm 1979
Hiện tượng cộng hưởng từ đã được khám phá từ những năm 1950, nhưng mãi đến thập niên 80 mới được ứng dụng đầu tiên trên lâm sàng Máy cộng hưởng
từ đầu tiên được đưa ra thị trường và được Tổ chức thuốc và thực phẩm (FDA) của
Mỹ công nhận vào năm 1984 và ngay sau đó đã phát triển rộng rãi Đây là kỹ thuật tạo ảnh ứng dụng những nguyên lý cộng hưởng của từ trường bên ngoài (máy cộng hưởng từ, bản chất là khối nam châm có từ lực cao) và bên trong (từ trường do cơ thể tạo ra) Do đó, cũng như siêu âm, nó có tính an toàn sinh học cao nên có thể dùng để chẩn đoán các bệnh lý của bào thai, trẻ em… Tuy nhiên, giá thành chụp cộng hưởng từ cho đến nay còn đắt
Phát triển theo những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, từ những năm cuối thế
kỷ XX, đầu thế kỷ XXI, các nguyên lý của mỗi kỹ thuật căn bản như đã nêu trên đã phối hợp với nhau để cho ra đời những máy có khả năng chẩn đoán một số loại bệnh với độ chính xác cao hơn như PET – CT (phối hợp X quang cắt lớp điện toán
và ghi hình y học hạt nhân)
Trang 1717
1.2 Vai trò và ứng dụng của chẩn đoán hình ảnh trong y tế
Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng (chẩn đoán cận lâm sàng) Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ các thiết bị, máy y tế (chẩn đoán hình ảnh) ngày càng chiếm một vai trò quan trọng, nhất là ngày nay với
sự trợ giúp của các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ khiến cho hình ánh rõ nét và chính xác hơn
Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú, như chẩn đoán qua hình
ảnh X quang, hình ảnh siêu âm, siêu âm - Doppler màu, hình ảnh nội soi (mà thông
dụng là nội soi tiêu hoá và nội soi tiết niệu) hình ảnh chụp cắt lớp điện toán (Computed Tomography Scanner- CT Scanner), hình ảnh chụp cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging-MRI)
Chẩn đoán hình ảnh đã góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh Như dựa trên hình ảnh siêu âm, người thầy thuốc có thể đo được tương đối chính xác kích thước các tạng đặc trong ổ bụng (gan, lách, thận, tuỵ, ) và phát hiện các khối bất thường nếu có Từ hình ảnh siêu
âm tim có thể xác định cấu trúc, kích thước các buồng tim, van tim và các mạch máu lớn Trong sản khoa, siêu âm giúp xác định và theo dõi sự phát triển của thai nhi trong bụng mẹ; hình ảnh CT Scanner giúp thầy thuốc xác định được một số bệnh lý ở sọ não, đặc biệt là xác định máu tụ nội sọ, khối u não; chụp cộng hưởng
từ hạt nhân xác định chính xác hơn các hình thái và các khối bất thường trong cơ thể (nếu có)
Các thiết bị và máy y tế về chẩn đoán hình ảnh ngày càng ứng dụng nhiều hơn về công nghệ thông tin, các phần mềm cho các máy Y tế ngày càng được nâng cấp, nhất là khi kỹ thuật số ra đời và phát triển đã ghi nhận và phân tích tín hiệu rất tốt, cho hình ảnh sâu hơn, chất lượng ảnh tốt hơn
Hơn nữa việc giao diện giữa các thiết bị và máy y tế kỹ thuật cao với hệ thống máy tính dùng trong quản lý tại bệnh viện và giữa các bệnh viện với nhau ngày một nhiều, nên các giao thức truyền ảnh trên mạng được dưa ra (có một chuẩn
Trang 1818
chung thống nhất, chất lượng ảnh đủ để chẩn đoán, giảm nhẹ gánh nặng đường truyền), tạo nên phòng “hội chẩn ảo" giữa các chuyên gia y tế ở xa nhau
1.3 Phân loại thiết bị thiết bị chẩn đoán hình ảnh
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trong suốt một thế kỷ qua, các kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh đã phát triển và đạt được những thành tựu vô cùng to lớn trong công cuộc chăm sóc sức khỏe con người nói chung cũng như trong lĩnh vực y tế nói riêng Tuy nhiên, các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh chỉ thực
sự có những bước nhay vọt sau chiến tranh thế giới thứ hai và cuộc các mạng khoa học công nghệ đầu những năm năm mươi của thế kỷ trước, hàng loạt các công nghệ mới đã được phát triển và đưa vào áp dụng trong chẩn đoán hình ảnh y học như tạo ảnh siêu âm, chụp cắt lớp điện toán, chụp cộng hưởng từ, các ứng dụng tạo ảnh bằng y học hạt nhân, quang học y sinh Để đáp ứng được nhu cầu về chẩn đoán trong y tế, các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh đã phát triển ngày ngày một nhanh không chỉ về chất lượng tạo ảnh mà còn về tính đa dạng nhằm đáp ứng tốt nhất các nhu cầu khác nhau trong y học Dựa trên cơ sở vật lý được áp dụng, các thiết bị cha
Hình 1.1 Phân loại thiết bị chẩn đoán hình ảnh theo cơ sở vật lý
Trang 1919
1.3.1 Tạo ảnh bằng tia X
Hình 1.2 Máy chụp X-Quang thường qui
1.3.1.1 Tia X và tính chất của tia X
Tia X được nhà Bác học Rontgen phát hiện vào năm 1895 khi Ông đang điều tra nghiên cứu sự dẫn điện của khí ở điều kiện áp suất thấp trong bóng đèn thủy tinh Ông đã vô tình phát hiện ra ở rằng cực dương của bóng phát ra loại tia không nhìn thấy được nhưng làm bìa huỳnh quang phát sáng Vì chưa xác định bản chất của tia này nên ông gọi chúng là tia X Mãi đến năm 1912 , chúng được chỉ ra như
là bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn
Tia X có bước sóng dài khoảng 10-8 cm và có một số đặc tính sau:
Trang 2020
Tính truyền thẳng và đâm xuyên: tia X truyền thẳng theo mọi hướng và có khả năng xuyên qua vật chất, qua cơ thể người Sự đâm xuyên này càng dễ dàng khi cường độ tia tăng
Tính bị hấp thu: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị giảm xuống do một phần năng lượng bị hấp thu Đây là cơ sở của các phương pháp chẩn đoán X quang và liệu pháp X quang Sự hấp thu này tỷ lệ thuận với:
Thể tích của vật bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thu càng nhiều
Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ
Tính chất gây phát quang: dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát quang như clorua, Na, BA, Mg, Li, và có chất trở nên sáng như Tungstat cadmi, platino-cyanua Bari các chất này được dùng để chế tạo màn huỳnh quang dùng khi chiếu X quang, tấm tăng quang
Tính chất hoá học: tính chất hoá học quan trọng nhất của tia X là tác dụng lên muối bromua bạc trên phim và giấy ảnh làm cho nó biến thành bạc khi chịu tác dụng của các chất khử trong thuốc hiện hình Nhờ tính chất này mà nó cho phép ghi hình X quang của các bộ phận trong cơ thể lên phim và giấy ảnh
Trang 2121
Tác dụng sinh học; khi truyền qua cơ thể tia X có những tác dụng sinh học Tác dụng này được sử dụng trong điều trị đồng thời nó cũng gây nên những biến đổi có hại cho cơ thể
1.3.1.2 Cơ chế tạo ảnh
Tính chất truyền thẳng, đâm xuyên và hấp thụ của tia X là các cơ sở vật lý cơ bản được ứng dụng trọng cơ chế tạo ảnh của các thiết bị chụp, chiếu X quang Đầu tiên tia X được tạo ra từ bóng phát tia và được chiếu vào vùng cần thăm khám trên
cơ thể bệnh nhân Chùm tia X sau khi truyền qua vùng thăm khám của cơ thể thì suy giảm do bị hấp thụ bởi các cấu trúc Sự suy giảm này phụ thuộc vào độ dày, mật
độ của các cấu trúc mà nó đi qua Cuối cùng, chum tia tác dụng lên chất huỳnh quang trên màn chiếu và các bộ phận của vùng thăm khám được hiện hình trên màn chiếu này Đối với các thiết bị X quang số ngày nay hình ảnh thay vì được hứng bằng các phim cảm quang được phủ nhũ tương sẽ được hứng bởi các tấm cảm biến tia X như trong X quang số trực tiếp DR (Direct Radiography) hoặc tấm tạo ảnh (Imaging plate) có tráng lớp Phosphor lưu trữ (storage) và kích thích phát sáng (photostimulable luminescence) Các hình ảnh dạng analog này sau đó sẽ được số hóa và lưu trữ vào máy tính để tạo điều kiện thuận lợi nhất cho việc xử ly và lưu trữ
Trang 2222
Hình 1.3 Nguyên lý cơ bản tạo ảnh X quang
1.3.1.3 Phân loại các thiết bị chụp X quang
Để phù hợp với tùng yêu cầu cụ thể trong chuẩn đoán hình ảnh, đã có rất nhiều dòng máy chụp X quang đã được nghiên cứu và phát triển Bên cạnh các máy
X quang thường qui đã rất phổ biến trong các phòng khám thông thường, các dòng máy riêng biệt dung trong những trường hợp cụ thể như chụp vú, chụp răng, chụp mạch cũng là những thiết bị rất cần thiết trong chẩn đoán hình ảnh
Việc phân loại các thiết bị chụp X quang dựa trên các yếu tố sau:
Phân loại theo chức năng chính
o X quang thường qui
o Máy chiếu X quang
o X quang can thiệp chụp mạch
o Các máy đặc biệt: X quang chụp vú, chụp răng, chụp não, chụp mật độ xương,
Trang 2323
Phân loại theo công xuất ống tia
o Công xuất thấp: Ia<200mA
o Công xuất trung bình: Ia =200mA~500mA
o Công xuất cao: Ia>500mA
Phân loại theo công nghệ
o X quang thường qui, dùng nguồn f=50/60Hz
o X quang cao tần, (nguồn 8-30kHz)
o Máy chiếu X quang, dùng ống tăng sáng và kỹ thuật truyền hình
o Máy X quang số, sử dụng công nghệ số để thu, xử lí và lưu trữ ảnh
o Máy chụp cắt lớp điện toán CT scanner
Phân loại theo khả năng cơ động
o Máy X quang cố định
o Máy X quang di động
Phân loại theo nguồn cấp
o X quang thường qui
o X quang dùng tụ
1.3.1.4 Ứng dụng của các thiết bị tạo ảnh X quang
Việc chẩn đoán dùng bức xạ điện từ để tạo ảnh xương, răng và những bộ phận khác bên trong cơ thể, giúp bác sĩ có thể dễ dàng thấy được ảnh bên trong cơ thể bạn X quang là cách chẩn đoán không gây đau đớn, nó có thể giúp bác sĩ chẩn đoán và điều trị, thậm chí trong trường hợp khẩn cấp
Chụp X quang nhanh chóng tiện lợi và an toàn giúp cho người bác sĩ có thể quan sát và ước lượng tình trạng xương gãy, hoặc viêm phổi, ung thư Tùy từng trường hợp chẩn đoán và tuỳ vào vị trí, bộ phận nào trong cơ thể bạn cần chụp, cho mục đích gì mà bác sĩ sử dụng loại X-quang khác nhau X-quang đặc biệt được dùng trong khám phổi, ngực, xương, khớp và bụng
Xác định xương gãy mẻ, trật khớp
Trang 2424
Xác định mức độ tổn thương và bị thâm nhiễm của xương
Chẩn đoán và theo dõi quá trình thoái hoá ví dụ như trong bệnh viêm khớp hoặc bệnh xương mỏng do loãng xương
Xác định có tổn thương ở một đoạn đốt sống hoặc đĩa đệm không
Kiểm tra chứng vẹo cột sống và một số khuyết tật khác của cột sống
Xác định sự mức độ nhiễm trùng của bệnh viêm xoang
Xác định những tổn thương của răng như sâu răng, thiếu răng và những bất bình thường khác của răng và hàm
Chẩn đoán X-quang đóng một vai trò quan trọng trong kiểm tra và chẩn đoán ung thư, trong thực tế X-quang dùng trong chẩn đoán ung thư giúp bác sĩ xác định bạn có bị ung thư phổi hay không, hoặc có thể bạn bị ung thư di căn từ nơi khác đến phổi Tế bào ung thư cho ảnh rõ nét trên film hơn những tế bào, mô bình thường khác của phổi, ngoài ra X-quang còn được dùng trong chẩn đoán ung thư của những vùng khác như ung thư hệ tiêu hoá, dạ dày, gan, thận, vú
Trang 2525
1.3.2 Chụp cắt lớp điện toán (CT-scanner)
Hình 1.4 Máy chụp cắt lớp điện toán SOMATOM Definition AS của Siemens
Chụp cắt lớp điện toán hay còn được gọi là chụp cắt lớp vi tính, tiếng Anh là C.T Scanner bắt nguồn từ cụm từ computer Tomography hoặc computer Tomography Scanner
1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động
Chụp cắt lớp vi tính có thể được định nghĩa như một phương pháp đo tỷ trọng X quang của các đơn vị thể tích của một lát cắt Phương pháp này cho ra những hình ảnh lát cắt của cơ thể với sự phân tích tỷ trọng 100 lần chính xác hơn trên hình ảnh X quang thường quy
Chùm tia X rất hẹp được phát ra từ bóng X quang bị suy giảm sau khi đi xuyên qua một phần của cơ thể được thu nhận bởi đầu tiếp nhận hay đầu thu (détecteur) Đầu tiếp nhận này được cấu tạo bằng các tinh thể nhấp nháy hoặc bằng các buồng ion hoá cho phép lượng hoá số đo Độ nhạy của các đầu tiếp nhận cao hơn rất nhiều so với phim X quang Bóng X quang và đầu tiếp nhận được cố định
Trang 26bộ cảm biến không đủ để có thể tạo được hình ảnh cấu trúc của một mắt cắt Vì vậy, nhờ sự di chuyển vòng quanh bệnh nhân của chùm tia theo một mặt phẳng cắt hàng loạt các phép đo được thực hiện ở các gọc độ khác nhau ở mỗi vị trí của chùm tia, một mã số về độ suy giảm tuyến tính (linear attenuation) được ghi nhớ trong bộ nhớ Khi chuyển động quét kết thúc, bộ nhớ đã ghi nhận được một số lượng rất lớn những số đo tương ứng với những góc khác nhau trong mặt phẳng quét Tổng hợp những số đo và nhờ máy vi tính xử lý các số liệu đó ta có những kết quả bằng số Nhờ những bộ phận tinh vi khác có trong máy, các số đó được biến thành hình ảnh
và hiện trên màn ảnh máy thu hình với hình ảnh một lát cắt ngang qua cơ thể
1.3.2.2 Đánh giá và ứng dụng của chụp cắt lớp điện toán
Một ưu điểm lớn nhất của CT là cho phép khảo sát các phần xương có cấu trúc tinh tế Phương pháp chụp cộng hưởng từ, kí hiệu MRI (magnetic resonance imaging) không tỏ ra hữu hiệu trong trường hợp này Hình ảnh CT cho chất lượng rất tốt Vì vậy, hiện nay người ta kết hợp CT với phương pháp PET (dùng để tạo ảnh chức năng) để tạo ra máy quét CT/PET vừa cho hình ảnh giải phẫu vừa khảo sát được chức năng của các cơ quan
Tuy nhiên, CT sử dụng tia X có tác hại xấu đối với sức khoẻ của bệnh nhân Tia X có khả năng gây ion hoá tế bào, và với lượng lớn có thể gây ung thư Ngoài
ra, giá cả của mỗi lần chụp CT là rất đắt
CT được ứng dụng rất rộng rãi trong chẩn đoán lâm sàng cũng như trong sinh thiết CT được dùng để chẩn đoán các phần cứng của cơ thể bị tổn thương như:
sọ não, cột sống, xương… Trong tất cả các phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện nay thì CT cho hình ảnh về các phần cứng của cơ thể rõ nhất CT còn được dùng để
Trang 2727
chẩn đoán ung thư, giúp phát hiện sớm khối u Chụp CT có tiêm cản quang có thể giúp cho bác sĩ đánh giá sự phát triển và sự di căn của khối u Các bệnh về tim mạch như tắc nghẽn mạch máu, các dị tật của tim…có thể được phát hiện bởi CT
CT được dùng trong nha khoa, nhi khoa, nhãn khoa hay để thực hiện nội soi ảo dùng kỹ thuật tạo ảnh 3D với sự hỗ trợ của máy tính Ngoài ra, CT còn dùng để trợ giúp sinh thiết như sinh thiết tuyến tiền liệt, sinh thiết ung thư vú, sinh thiết cổ tử cung
1.3.3 Chụp cộng hưởng từ
Hình 1.5 Máy chụp công hưởng từ
Chụp cộng hưởng từ (Magnetic Resonal Imaging - MRI) là một thiết bị chuẩn đoán hình ảnh hoạt đông gần giống với máy chụp cắt lớp điện toán Tuy nhiên, MRI dựa trên hiện tượng vật lý được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân do hai nhà bác học Felix Block và Edward Purcell phát hiện vào những năm 50 của thế kỉ 20
Kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) hiện đã trở thành một phương pháp phổ thông trong y học chẩn đoán hình ảnh Các thiết bị MRI đầu tiên ứng dụng y học xuất hiện vào đầu những năm 1980 Vào năm 2002, có gần 22.000 camera MRI được sử dụng trên toàn thế giới Trên toàn thế giới mỗi năm có hơn 60 triệu ca chẩn
Trang 2828
đoán bằng MRI và phương pháp này vẫn đang phát triển nhanh MRI thường tốt hơn các kỹ thuật hình ảnh khác và đã được cải thiện đáng kể về độ chính xác trong việc chẩn đoán nhiều căn bệnh Nó thay thế một số phương pháp kiểm tra theo kiểu đưa thiết bị vào cơ thể, do đó giảm đau đớn, rủi ro cũng như sự bất tiện cho nhiều bệnh nhân Chẳng hạn như sử dụng phương pháp nội soi kiểm tra tuyến tụy hoặc tuyến mật có thể gây một số biến chứng nghiêm trọng
Lợi thế của MRI là tính vô hại của nó MRI không sử dụng bức xạ ion hoá giống như phương pháp chụp X quang thường quy (Nobel Vật lý -1901) hoặc chụp
CT (Nobel Y học -1979) Tuy nhiên, nó có một nhược điểm là bệnh nhân nào phải tiêm kim loại từ hoặc mang máy điều hoà nhịp tim không thể được kiểm tra bằng MRI bởi MRI có trường từ tính mạnh Ngày nay, MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị trong việc chụp ảnh chi tiết não hoặc dây cột sống Kể từ khi MRI mang lại những hình ảnh 3 chiều, bác sĩ có thể nắm được thông tin về địa điểm thương tổn Những thông tin như vậy rất có giá trị trước khi phẫu thuật chẳng hạn như tiểu phẫu não
Hình 1.6 Máy chụp cộng hưởng từ
Trang 2929
1.3.3.1 Lịch sử phát triển
Isidor Rabi một nhà vật lý người mỹ tiến hành các thí nghiệm về cộng hưởng
từ hạt nhân trong cuối những năm 1930 Đến năm 1944 ông được trao giải Nobel về các thành công trong việc tìm ra phương thức cộng hưởng từ của trùm phân tư, nguyên tử
Hiện tượng cộng hưởng từ được Felix Block và Edward Purcel khám phá độc lập vào năm 1946 Chính sự khám phá này đã đem lại cho các ông giải thưởng Nobel cao quý về khoa học vào năm 1952 Vào giữa năm 1950 và 1970 cộng hưởng
từ hạt nhân đã phát triển và được sử dụng trong hoá học và phân tích hạt nhân nguyên tử
Năm 1971 Raymond Damadian đã chỉ ra rằng thời gian hồi phục từ hạt nhân của mô và khối u là khác nhau do đó đã thúc đẩy các nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu cộng hưởng từ dùng cho công việc điều trị bệnh
Name 1975 Richard Ernst đã đề duet ra ý kiến tạo ảnh dùng mã hoá pha, mã hoá tần số và biến đổi Fourier Kỹ thuật này là cơ sở cho các kỹ thuật MRI hiện nay Vài năm sau, Raymond Damadian đã chứng minh ảnh cộng hưởng từ trên toàn
bộ cơ thể người (năm 1977) Cũng trong năm này, Peter Mansfiled phát triển kỹ thuật ảnh mặt phẳng dội (EPI – Echo Planar Imaging) ảnh tạo ra có tốc độ 30 ms/ 1 ảnh Edelstein và Coworkers đã chứng minh ảnh của toàn bộ cơ thể sử dụng kỹ thuật Ernst năm 1980 Một ảnh đơn có thể được thu nhận trong khoảng 5 phút theo
kỹ thuật này
Vào năm 1986 thời gian ảnh đã giảm xuống còn khoảng 5 giây Cùng năm người ta
đã phát triển NMR hiển vi cho phép độ phân giải khoảng 10 m trên mẫu cm
Vào năm 1987 ảnh mặt phẳng dội được sử dụng để thể hiện các ảnh động với thời gian thực của một chu kỳ tim đơn Ngoài ra, Charles Dumoulin đã tiến hành chụp mạch cộng hưởng từ (MRA- Magnetic Resonance Angiography) cho phép chụp ảnh của dòng máu mà không sử dụng các tác nhân đối quang
Năm 1993 kỹ thuật MRI chức năng (fMRI) đã phát triển Kỹ thuật này cho phép thực hiện phép ánh xạ các chức năng của các vùng khác nhau của não bộ Sự
Trang 3030
phát triển của chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng (fMRI – functional Magnetic Resonance Imaging) đã mở ra một ứng dụng mới đối với kỹ thuật ảnh kỹ thuật dội (EPI) trong phép ánh xạ các miền phản ứng của não
Nhờ các ứng dụng lâm sàng, Peter Mansfiled của đại học Nottingham đã nhận được giải thưởng Nobel về những nghiên cứu y học trong ảnh cộng hưởng từ MRI
là một kỹ thuật mới đang phát triển trong lĩnh vực khoa học
Hiện nay, sự ra đời của thiết bị MAGNETOM Avanto với công nghệ ma trận tạo hình toàn bộ – TIM (Total Imaging Matrix) thật sự là một cuộc cách mạng đối với công nghệ chẩn đoán hình ảnh nói chung và chẩn đoán bằng cộng hưởng từ nói riêng Đây là một hệ thống cộng hưởng từ mới tổ hợp những công nghệ RF mới nhất với khái niệm ma trận các cuộn thu, chụp hình giải phẫu toàn thân, thu nhận hình siêu nhanh
Máy MRI thương mại đầu tiên được sản xuất tại châu Âu (do công ty Picker thuộc GEC cung cấp) và được đặt tại phòng chẩn đoán hình ảnh thuộc một trường đại học của Manchester Medical School
Đến nay, đã có trên 22000 máy cộng hưởng từ trên thế giới, và đã có khoảng trên 60 triệu hình ảnh được chụp từ người bệnh
1.3.3.2 Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ
Ở phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI (Magnetic Resonnance Imaging), người ta đưa cơ thể bệnh nhân vào vùng có từ trường một chiều rất mạnh, hiện nay phổ biến là dùng từ trường sinh ra do cuộn dây siêu dẫn có dòng điện rất lớn chạy qua Trong cơ thể có những nguyên tử mà hạt nhân có momen từ tương tự như có gắn một thanh nam châm cực nhỏ Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của hạt nhân nguyên tử quay đảo tương tự như con quay dưới tác dụng của trọng trường trên mặt đất Nếu hạt nhân đang quay đảo với tần số
w mà có thêm sóng vô tuyến cùng tần số w tác dụng, hạt nhân sẽ quay đảo cực mạnh vì có hiện tượng cộng hưởng Đó là cộng hưởng từ hạt nhân Khi ngừng tác dụng sóng vô tuyến, hạt nhân sẽ từ trạng thái quay đảo cực mạnh trở về trạng thái quay đảo bình thường Hạt nhân có momen từ quay như vậy sẽ sinh ra sóng điện từ
Trang 31Ở máy MRI, người ta có thể tạo ra cộng hưởng ứng với một loại hạt nhân nào đó (ví dụ hạt nhân hyđrô) trong từng thể tích cỡ milimet khối của não và theo dõi trạng thái cộng hưởng Lần lượt quét thể tích có cộng hưởng này, sẽ có được hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân ở từng lớp Có thể theo dõi ảnh để biết được cấu tạo bên trong của não lúc cơ thể đang sống (biết được có chảy máu trong não hay không, chảy ở chỗ nào) Có thể dùng MRI để theo dõi hoạt động của não, ví dụ như khu vực nào của não hoạt động, máu đưa oxy về vùng đó mạnh hay yếu
1.3.3.3 Đặc điểm MRI
Độ phân giải không gian rất cao, còn độ phân giải thời gian vừa phải: Phân giải không gian: 3 mm và phân giải thời gian: 3 giây
Đây là phương pháp hiệu nghiệm và dễ sử dụng nhất hiện nay để nghiên cứu
về não Người ta đã phát triển phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng (FMRI – Function MRI) để nghiên cứu không chỉ về cấu tạo mà còn về chức năng hoạt động của não
Tuy nhiên, phương pháp này khá tốn kém do phải dùng hêli lỏng để làm lạnh cuộn dây siêu dẫn
Ưu điểm
Ảnh cấu trúc các mô mềm trong cơ thể như tim, phổi, gan và các cơ quan khác rõ hơn và chi tiết hơn so với ảnh được tạo bằng các phương pháp khác
MRI giúp cho các bác sỹ đánh giá được các chức năng hoạt động cũng như
là cấu trúc của nhiều cơ quan nội tạng trong cơ thể
Trang 3232
Sự chi tiết làm cho MRI trở thành công cụ vô giá trong chẩn đoán thời kì đầu
và trong việc đánh giá các khối u trong cơ thể
Tạo ảnh bằng MRI không gây tác dụng phụ như trong tạo ảnh bằng chụp X quang thường quy và chụp CT
MRI cho phép dò ra các điểm bất thường ẩn sau các lớp xương mà các phương pháp tạo ảnh khác khó có thể nhận ra
MRI có thể cung cấp nhanh và chuẩn xác so với tia X trong việc chẩn đoán các bệnh về tim mạch
Không phát ra các bức xạ gây nguy hiểm cho con người
1.3.3.4 Ứng dụng của MRI
Các bệnh lý thần kinh : động kinh , bệnh mất Myelin, bệnh não bẩm sinh, u bướu , viêm nhiễm, của não và tủy sống
Mạch Máu : Dị dạng , xơ vữa , teo hẹp mạch máu não bộ và tổn thương
Cơ xương khớp : bệnh lý viêm cơ xương khớp, dây chằng, cơ bắp
Mắt, tai mũi họng : U hốc mắt, u nội nhỉ, u hầu họng, viêm nhiểm, áp xe
Tim mạch : bệnh lý cơ tim, động mạch cổ, động mạch chủ, động mạch ngoại vi
Cơ quan nội tạng : các bệnh lý gan, thận tụy, lách
U buớu : phát hiện, đánh giá mức độ xâm lấn theo điều trị
Trang 3333
1.3.4 Tạo ảnh bằng siêu âm
Hình 1.7 Máy siêu âm chẩn đoán
Máy siêu âm sử dụng các tính chất của sóng âm thanh khi tương tác với các
mô khác nhau trong cơ thể người Sóng siêu âm cỡ khoảng vài mega Hz khi truyền qua các mô khác nhau bị khúc xạ và phản xạ một phần tại các mặt phân cách Và độ trễ của tín hiệu âm phản xạ lại cho ta biết được khoảng cách từ các mặt giao nhau của các mô tới đầu dò thông qua công thức liên hệ tốc độ truyền sóng và khoảng cách di chuyển của sóng Do đó, độ tương phản trong máy siêu âm có liên quan đến
sự không đồng nhất giữa các mô trong cơ thể người bệnh Độ sâu của một đối tượng phản xạ âm có thể được xác định bởi thời gian đi lại của của tín hiệu âm phản xạ Bằng cách phát ra sóng âm tập trung theo các hướng khác nhau, chúng ta thu được hình ảnh hai chiều của các bộ phận bên trong cơ thể cong người Hình ảnh siêu âm
có chất lượng rất cao do sự phức tạp của các mô trong cơ thể người, và sự khác biệt
về tốc độ âm khi truyền qua các mô khác nhau Hình ảnh siêu âm cho độ tương
Trang 3434
phản mô mềm tốt, nhưng lại rất kém khi đi qua các mô của xương và không khí trong phổi Mặc dù hình ảnh siêu âm hoàn toàn có thể thu được chỉ với các mạch tương tự, tuy nhiên các thiết bị siêu âm hiện đại ngày nay vẫn được áp dụng rất nhiều kỹ thuật trên máy tính như dựng ảnh 3 chiều, tăng độ tương phản, thêm các hiệu ứng màu Hình ảnh siêu âm rất phổ biến vì chi phí thấp, an toàn và dễ dàng sử dụng Tuy nhiên, để tạo được các bức ảnh siêu âm tốt, các ca siêu âm hiệu quả, không những yêu cầu các thiết bị tốt mà còn cần các bác sỹ có chuyên môn và kinh nghiệm để điều chỉnh các thông số khác nhau cho độ tương phản tối ưu, cũng như giải thích các hình ảnh thu được
1.3.4.1 Khái quát về siêu âm
Siêu âm là một phương pháp khảo sát hình ảnh học bằng cách cho một phần của cơ thể tiếp xúc với sóng âm có tần số cao hay còn gọi là siêu âm để tạo ra hình ảnh bên trong cơ sự chuyển động của các bộ phận bên trong cơ thể kể cả hình ảnh dòng máu đang chảy trong các thể Siêu âm không sử dụng các phóng xạ ion hóa như X quang, CT, PET, SPECT Do hình ảnh siêu âm được ghi nhận theo thời gian thực nên nó có thể cho thấy hình ảnh cấu trúc và cả hoạt động của các mạch máu
Siêu âm là một khảo sát y học không xâm lấn (không gây chảy máu) giúp cho các bác sĩ có thể chẩn đoán và điều trị bệnh
Siêu âm quy ước tạo ra những hình ảnh các lát cắt mỏng và phẳng của cơ thể Những tiến bộ trong kỹ thuật siêu âm bao gồm siêu âm 3 chiều (siêu âm 3D) có khả năng tái tạo lại dữ liệu thu nhận được từ sóng âm thành hình ảnh 3 chiều Siêu âm 4 chiều (siêu âm 4D) là siêu âm 3 chiều có ghi nhận sự chuyển động
Siêu âm Doppler, một kỹ thuật trong siêu âm là một kỹ thuật siêu âm đặc biệt giúp đánh giá dòng máu chảy trong các mạch máu, bao gồm các động mạch và tĩnh mạch chính của cơ thể ở bụng, cánh tay, chân, và cổ
Trang 3535
cũng như kích thước, hình dạng và mật của vật thể.Trong siêu âm, đầu dò vừa phát sóng âm vừa ghi nhận sóng dội trở lại Khi đầu dò được ấn vào da, nó sẽ truyền những xung nhỏ của các sóng âm có tần số cao không nghe được đi vào cơ thể Khi sóng âm dội lại từ các nội tạng bên trong cơ thể, dịch và mô, một microphone rất nhạy cảm của đầu dò sẽ ghi nhận lại những thay đổi nhỏ trong cao độ và hướng của
âm Những tín hiệu sóng này sẽ được đo đạc ngay lập tức và thể hiện bằng máy vi tính bằng cách tạo ra những hình ảnh theo thời gian thực ở màn hình Một hoặc nhiều khung hình sẽ được chụp lại làm hình tĩnh
Siêu âm Doppler, một ứng dụng đặc biệt của siêu âm, dùng để đo hướng và vận tốc của các tế bào máu khi chúng di chuyển trong mạch máu Sự chuyển động của các tế bào máu gây ra sự thay đổi về cao độ của sóng âm phản hồi lại (được gọi
là hiệu ứng Doppler) Máy vi tính sẽ thu thập và xử lý những sóng âm này để tạo ra biểu đồ hoặc hình màu thể hiện dòng chảy của máu trong các mạch máu
1.3.4.3 Cơ sở vật lý của siêu âm
Bản chất của Siêu âm
Siêu âm cũng như âm thanh là những dao động sóng Siêu âm là sóng âm có tần
số > 20.000Hz Trong lĩnh vực Y tế người ta dùng sóng âm với tần số từ 2 MHz đến
20 MHz (1 MHz = 109Hz) tùy theo yêu cầu thăm khám
Cơ chế phát sóng âm: Sóng âm được tạo ra do chuyển đổi năng lượng từ điện
thành các sóng cơ, phát ra từ các đầu dò, có cấu trúc cơ bản là gốm áp điện electric)
(piezo-Tính chất của Siêu âm:
Sự lan tuyền của sóng âm - Sự suy giảm và hấp thu:
Trong môi trường có cấu trúc đồng nhất, sóng âm lan truyền theo đường thẳng, và bị mất năng lượng dần gọi là suy giảm Sự suy giảm tỷ lệ với nghịch đạo của bình phương khoảng cách Năng lượng âm bị hấp thu chủ yếu của tạo nhiệt Vận tốc truyền sóng âm phụ thuộc vào độ cứng và tỷ trọng của môi trường vật chất xuyên qua, trong cơ thể người: mỡ 1450; nước 1480; mô mềm 1540; xương 4100 m/s
Trang 3636
Sự phản xạ hay phản hồi:
Trong môi trường có cấu trúc không đồng nhất, một phần sóng âm sẽ phản hồi ở mặt phẳng giao nhau tạo nên âm dội hay âm vang (echo), phần còn lại sẽ lan truyền qua mặt phẳng đó Như vậy, ở đường ranh giới giữa hai môi trường có trở kháng âm (acoustic impedance), kỹ hiệu là Z, Z khác nhau tùy thuộc cấu trúc của vật chất đặc biệt là số nguyên tử Sóng phản hồi sẽ được thu nhận bởi đầu dò, sau
đó được xử lý trong máy và truyền ảnh lên màn hình hoặc ghi lại trên phim, giấy in hoặc trên băng đĩa từ Các sóng phản hồi không được thu nhận bởi đầu dò sẽ bị biến mất theo luật suy giảm
Đầu dò (Transducer - Probe):
Đầu dò làm nhiệm vụ vừa phát vừa thu sóng âm phản hồi Tạo thành từ một hoặc nhiều miếng gốm áp điện (piezo-eletric), khi có dòng điện xoay chiều tần số cao khích thích vào miếng gốm này làm cho nó co giãn và phát ra xung siêu âm Ngược lại khi miếng áp điện rung lên do sóng siêu âm dội trở về sẽ tạo ra một xung điện Các đầu dò hiện nay thường được cấu tạo từ các mảng tinh thể áp điện, tùy theo máy và hãng sản xuất, các đầu dò quét được nhờ một hệ thống cơ khí hay điện
tử, với chùm thăm dò theo hình chữ nhật hay rẽ quạt
1.3.4.4 Các loại kỹ thuật siêu âm
Siêu âm kiểu A (Amplitude): ghi lại sóng phản hồi bằng những xung nhọn, mà
vị trí tương ứng với chiều sâu và biên đô tỷ lệ thuận với cường độ của âm vang Kiểu A ít
có giá trị về chẩn đoán Mà dùng để kiểm tra sự chính xác của máy siêu âm
Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D - bidimention): mỗi sóng xung kiểu A đều
được ghi lại bằng một chấm sáng nhiều hay ít tùy theo cường độ của âm dội Sự di chuyển của đầu dò trên da bệnh nhân cho phép ghi lại cấu trúc âm của các mô trong
cơ thể nằm trên mặt phẳng quét của chùm tia, đây là phương pháp siêu âm cắt lớp (Echotomography) Hình thu được từ các âm vang này sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ
và chuyển thành tín hiệu trên màn truyền bằng các chấm trắng đen, xám
Trang 3737
Siêu âm kiểu Động (Dynamic): là một kiểu hai chiều với tốc độ quét nhanh,
tạo nên hình ảnh theo thời gian thực (real time) Kiểu Động so với kiểu B tựa như điện ảnh so với chụp ảnh
Siêu âm kiểu TM (Time Motion): trong kiểu siêu âm này âm vang sẽ ghi
lại theo kiểu A, nhưng chuyển động theo thời gian nhờ màn hình quét ngang thường xuyên Do đó những cấu trúc đứng yên trên màn hình là một đường thẳng, còn những cấu trúc chuyển động là một đường cong ngoằn nghèo tùy theo sự chuyển động của cơ quan thăm khám Siêu âm kiểu này thường dùng để khám tim
Siêu âm kiểu Doppler (Động): Dùng hiệu ứng Doppler của siêu âm để đo
tốc độ tuần hoàn, xác định hướng của dòng máu và đánh giá lưu lượng máu Có 3 loại Doppler: D liên tục, D xung, D màu, người ta thường phối hợp hệ thống D với siêu âm cắt lớp theo thời gian thật gọi là siêu âm DUPLEX Ngày nay người ta còn mã hóa các dòng chảy của siêu âm chính là siêu âm Động-màu, siêu âm D năng lượng (Power Doppler), siêu âm tổ chức (tissue doppler) và siêu âm chiều rất tiện cho việc thăm khám Tim-Mạch, sản khoa
1.3.5 Tạo ảnh ứng dụng y học hạt nhân PET và SPECT
Hình 1.8 Máy chụp cắt lớp phát xạ positron
Trang 3838
1.3.5.1 Nguyên lý tạo ảnh bằng y học hạt nhân
Tạo ảnh hạt nhân tương tự như các kỹ thuật tạo ảnh bằng tia X và hình ảnh
CT sử dụng các bức xạ điện từ tần số cao Tuy nhiên, không giống như các kỹ thuật tạo ảnh bằng tia X quang với nguồn tia X được tạo ra bên ngoài cơ thể, trong các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh bằng y học hạt nhân, các các hợp chất phóng xạ được đưa vào cơ thể đóng vai trò như là nguồn bức xạ Các hợp chất phóng xạ này thường liên quan đến các chất có dược hoạt tính ("radiopharmaceuticals") mà tích lũy tại các vùng đặc biệt trong cơ thể, đặc biệt, trong một khối u Sau đó bằng các kỹ thuật thu tia phóng xạ và tái tạo ảnh không gian trên máy vi tính, ta thu được ảnh phân bố của các chất phóng xạ theo mật độ các chất hoạt hóa trong cơ thể bệnh nhân Như vậy, quá trình trao đổi chất đóng vai trò chủ đạo trong việc hình thành phân bố phóng xạ và được sử dụng để tạo ảnh hình ảnh chẩn đoán Tương tự như chụp cắt lớp điện toán CT, hình ảnh ba chiều thu được là ảnh tái tạo từ các phương trình thu được dựa vào mật độ phóng xa đo được ở các đầu dò, vì thế một phương thức gọi là chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (single-photon emission computed tomography - SPECT) Một công nghệ khác tương tự là Chụp cắt lớp phát xạ positron (positron emission tomography - PET), sử dụng các nguồn phát positron gây ra phát xạ 1 cặp tia Gamma theo chiều ngược nhau Độ nhạy cảm và khả năng chống nhiễu của PET
là tốt hơn so với SPECT, tuy nhiên cả SPECT và PET có độ phân giải theo không gian thấp hơn CT với kích thước voxel không nhỏ hơn 1 cm Thông thường, hình ảnh SPECT hoặc PET được kết hợp với hình ảnh CT hoặc MRI để cung cấp một hệ tham chiếu không gian Một yếu tố hạn chế việc phổ biến rộng rãi các phương thức tạo ảnh bằng y học hạt nhân là chi phí Các chất phóng xạ thường có chu kỳ bán rã rất ngắn chỉ khoảng vài giờ, và hầu hết các dẫn chất phóng xạ cần phải được sản xuất ngay tại nơi đặt thiết bị Điều này đòi các trung tâm y học hạt nhân cần phải có một số lò phản ứng để tạo các đồng vị phóng xạ
1.3.5.2 Các kỹ thuật tạo ảnh bằng y học hạt nhân
Chẩn đoán hình ảnh kết hợp Y học hạt nhân cung cấp cho các bác sĩ một công
cụ khác để nhìn sâu vào bên trong cơ thể Các thiết bị bao gồm chiếc máy tính xử
Trang 3939
lý, bộ dò tín hiệu và chất phóng xạ Những công nghệ chẩn đoán hình ảnh sử dụng phóng xạ hiện nay là:
Positron emission tomography (PET)
Single photon emission computed tomography (SPECT)
Trong công nghệ chụp PET, bệnh nhân được tiêm chất phóng xạ, sau đó được đặt trên một chiếc bàn phẳng rồi đưa vào trong một buồng nhỏ như hình trên Buồng này có dãy các cảm biến nhận dạng tia gamma, bao gồm nhiều tinh thể trong suốt, mỗi tinh thể được nối với một ống photomultiplier Các tinh thể sẽ chuyển tín hiệu tia gamma thành các photon ánh sáng, và các ống photomultiplier sẽ khuếch đại ánh sáng thành tín hiệu điện Những tín hiệu điện này được máy tính xử lý để xuất ra dạng hình ảnh Sau đó chiếc bàn di chuyển, và quá trình này được lặp lại, đưa ra một chuỗi hình ảnh của các bộ phận cơ thể, ví dụ như não bộ, gan Hình chụp các lát cắt mỏng này có thể được xử lý để dựng thành hình ảnh 3D
Công nghệ PET cung cấp cho chúng ta những hình ảnh về dòng máu hay về các chức năng sinh hoá khác, tuỳ thuộc vào việc phân tử nào được đánh dấu phóng
xạ Ví dụ, PET có thể cho ta thấy những hình ảnh của quá trình chuyển hoá glucose trong não, hay những quá trình thay đổi trong các hoạt động của cơ thể Dù vậy, hiện tại chỉ có một số trung tâm lớn có thể thực hiện công nghệ này do cần lấy
Trang 40Chụp tim mạch – Cardiovascular imaging – là công nghệ sử dụng chất phóng
xạ để biểu diễn dòng chảy của máu qua tim và các mạch máu Ví dụ, làm test gắng sức sử dụng tali Bệnh nhân sẽ được tiêm một hợp chất phóng xạ có chứa tali, sau
đó thực hiện bài tập gắng sức đồng thời được chụp bằng một chiếc máy chụp tia gamma Sau đó, lặp lại quá trình trên nhưng không thực hiện bài tập gắng sức Việc
so sánh hình ảnh chụp được trong 2 quá trình sẽ giúp chúng ta nhận biết được sự thay đổi dòng máu trong hoạt động của tim Công nghệ này rất hữu ích trong việc xác định vị trí tắc nghẽn động mạch hay các tiểu động mạch của tim và các cơ quan trong cơ thể
Tất cả những công nghệ trên sử dụng các đặc tính khác nhau của nguyên tố phóng xạ để tạo ra hình ảnh Dưới đây là bảng các chất phóng xạ thường được dùng trong y học hạt nhân
1.3.5.3 ứng dụng của tạo ảnh bằng y học hạt nhân
Chẩn đoán hình ảnh kết hợp Y học hạt nhân rất hữu dụng, giúp các bác sĩ chẩn đoán:
Phình mạch
Khối u
Rối loạn tưới máu tới các mô
Rối loạn tế bào máu và các rối loạn chức năng các cơ quan, ví dụ như tuyến giáp hoặc suy chức năng hô hấp