Nghiên cứu hệ thống điều khiển di chuyển bàn và gantry của máy chụp cắt lớp tại khoa chẩn đoán hình ảnh bệnh viện đa khoa tỉnh bắc giang

Do đó tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển di chuyển bàn và gantry của máy chụp cắt lớp vi tính tại khoa chẩn đoán hình ảnh bệnh viện đa khoa tỉnh Bắc Giang” Đồ án bao gồm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC HÌNH VẼ 4

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỤP CẮT LỚP MÁY TÍNH CT SCANNER 8

1.1 Kiến thức chung về chụp cắt lớp vi tính 8

1.1.1 Quá trình ra đời và lịch sử phát triển 8

1.2 Các thế hệ máy CT-Scanner 9

1.2.1 Thế hệ máy CT thứ nhất 9

1.2.2 Thế hệ máy CT thứ hai 10

1.2.3 Thế hệ máy CT thứ ba 11

1.2.4 Thế hệ máy CT thứ tư 12

1.2.5 Thế hệ máy CT thứ năm 12

1.3 Nguyên lý cơ bản của phương pháp chụp ảnh CT 13

1.3.1 Mô hình cơ sở 13

1.3.2 Thang đo độ suy giảm tuyến tính của tia X 16

1.3.3 Cơ sở tạo ảnh 17

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO MÁY CT SCANNER 21

2.1 Cấu tạo cơ bản một máy CT-Scanner 21

2.1.2 Giàn quay 23

2.1.3 Giàn quay của máy CT thế hệ thư ba và thứ tư 24

2.1.4 Ống tia X (Bóng X-quang) 28

2.1.5 Bộ chuẩn trực (Colimator) 29

2.1.6 Bộ điều khiển hình dạng chùm tia X 32

2.1.7 Đầu dò 33

2.1.8 Hệ thống thu thập và tích luỹ dữ liệu 38

2.1.9 Bàn bệnh nhân (Patien Couch) 40

2.1.10 Hệ thống máy tính 42

2.1.11 Hệ thống nguồn cao áp 44

2.1.12 Bàn điều khiển 46

2.1.13 Máy in phim LASER 47

2.2 Một số đặc điểm của các máy CT hiện đại 48

2.2.1 Hạn chế ảnh hưởng của bức xạ thứ cấp 48

2.2.2 Chất lượng tia X– hiệu ứng làm cứng tia 49

2.2.7 Các kiểu quét, chụp của máy CT hiện nay 51

2.3 Một số dòng máy CT-Scanner hiện đại 53

2.3.1 Máy CT-Scanner Definition SOMATOM Flash – Siements 53

2.3.2 Dòng máy CT-Revolution VCT Light Speed – GE 55

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DI CHUYỂN BÀN VÀ GANTRY CỦA MÁY CHỤP CẮT LỚP VI TÍNH TẠI KHOA CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA TỈNH BẮC GIANG 58

3.1 Nghiên cứu hệ thống bàn và gantry trong thực tế 58

3.1.1 Bàn điều khiển 59

3.1.2 Bàn bệnh nhân ( Couch ) 61

3.1.3 Khối Gantry 64

3.2 Mô Phỏng Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước 66

3.2.1 Động cơ bước 66

3.2.2 Khối điều khiển 70

3.2.3 IC đệm dòng ULN2003: 72

3.2.4 Mô phỏng điều khiển động cơ bước 73

KẾT LUẬN 74

Danh mục tài liệu tham khảo 75

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những gì tôi viết trong luận văn này là do sự tìm tòi và nghiên cứu của bản thân Các số liệu trong luận văn là có thực, mọi kết quả nghiên cứu cũng như

ý tưởng của tác giả đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan

Hà Nội, ngày 21 tháng11 năm 2016

Học viên

TRƯƠNG ĐỨC THUẬN

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Mô tả phương thức quét của máy CT thế hệ thứ nhất 10

Hình 1 2 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ hai 10

Hình 1 3 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ ba 11

Hình 1 4 Máy Somatom của hãng Siemens sử dụng 2 nguồn bức xạ tia X 12

Hình 1 5 Máy CT thế hệ thứ năm 13

Hình 1 6 Mô hình hệ thống CT đơn giản nhất (1967) 14

Hình 1 7 Nguyên tố thể tích Voxel và nguyên tố ảnh pixel 15

Hình 1 8 Bảng Trị Số CT của nước, không khí và các cơ quan nội tạng 17

Hình 1 9 Tạo ảnh bằng tái tạo đơn giản (a) và Tái tạo ảnh có ứng dụng của hàm lọc cùng thuật toán convolution (b) 19

Hình 1 10 Các hệ toạ độ trong máy CT chùm tia song song 20

Hình 2 1 : Hệ thống máy CT-Scanner thực tế 22

Hình 2 2 : Mô hình hệ thống máy CT-Scanner 22

Hình 2 3 Bên trong giàn quay của máy CT-Scanner 24

Hình 2 4 Hai loại vòng trượt hình đĩa và hình trụ 26

Hình 2 5 Hai phương thức tiếp điện vòng trượt A: tiếp điện áp thấp, B: tiếp điện áp cao 27

Hình 2 6 : (A) : Vòng Trượt; (B) : Chổi quét của hãng Picker International (Hoa Kỳ) ; (C) : Chổi quét của hãng Venturetec Mechatronic (Đức) 27

Hình 2 7 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của 1 ống tia X 28

Hình 2 8 Một ống tia X trong thực tế 29

Hình 2 9 Thứ tự sắp xếp bộ chuẩn trực trong máy CT 30

Hình 2 10 Chuẩn trực pre-patien đặt kèm ống tia X 31

Hình 2 11 Chuẩn trực trước bệnh nhân Pre-patien 31

Hình 2 12 Hai loại lưới chuẩn trực sau bệnh nhân post-patien 32

Hình 2 13 Bố trí bóng X quang, cụm đầu dò và các bộ chuẩn trực để tạo chùm tia X hình rẻ quạt, có thể điều khiển độ dầy và khử tia phát xạ thứ cấp 33

Hình 2 14 Đầu dò khí Xenon 34

Hình 2 15 Cấu trúc đầu dò khí Xenon 35

Hình 2 16 Cấu trúc đầu dò chất rắn 36

Hình 2 17 Mảng đầu dò 38

Hình 2 18 một phần của mảng đầu dò (phóng to) 39

Hình 2 19 Sơ đồ khối hệ thống tích luỹ dữ liệu DAS 39

Hình 2 20 Hệ thống tích luỹ dữ liệu DAS đặt ngay phía dưới mảng đầu dò 40

Hình 2 21 Bàn bệnh nhân và giàn quay 41

Hình 2 22 Mô hình hệ thống máy tính của máy CT 43

Hình 2 23 Mô hình nguồn cao thế của máy CT 44

Hình 2 24 Phần chính của hệ thống cao áp nhìn từ vỏ ngoài (a) và bên trong (b) 45 Hình 2 25 Vỏ ngoài cùng của bộ cao áp trong máy CT 45

Hình 2 26 Biến thế cao áp trong bộ cao áp 46

Hình 2 27 Bàn điều khiển của hệ thống CT-Scanner 46

Hình 2 28 Hạn chế bức xạ thứ cấp dùng bộ chuẩn trực trong máy quét thế hệ thứ tư và thứ năm 48

Hình 2 29 Hệ số suy giảm bằng nhau khi tia X là đơn sắc (a) hoặc khi có dùng thêm phụ kiện để làm đồng đều khoảng cách truyền tia (c) Hệ số suy giảm thay đổi khi phổ tia X rộng và đường truyền khác nhau (b) 50

Hình 2 30 Mô tả kiểu quét cắt lớp thông thường 51

Hình 2 31 : Kiểu quét nhanh / quét cụm: quét và dịch chuyển bàn tuần tự 52

Hình 2 32 Quét đơn lát cắt và quét đa lát cắt 53

Hình 2 33 Máy Definition SOMATOM Flash 55

Hình 2 34 Cấu trúc cơ bản của máy Somatom 55

Hình 2 35 Máy CT-Revolution của hãng General Electric 57

Hình 3 1 Hình dáng tổng thể của máy CT MX8000 D 58

Hình 3 2 Sơ đồ khối của máy CT- SCANNER trong thực tế 59

Hình 3 3 Bàn điều khiển máy CT 59

Hình 3 4 Hộp điều khiển ( CT-box ) 60

Hình 3 5 Hình dáng bên ngoài của bàn bệnh nhân ( Couch ) 61

Hình 3 6 Bàn bệnh nhân sau khi tháo lớp vỏ bên ngoài 61

Hình 3 7 Phần điều khiển chuyển động bàn 62

Hình 3 8 Khớp tĩnh và trục điều khiển mặt bàn 63

Hình 3 9 Encoder xác định vị trí 63

Hình 3 10 Hình ảnh bề mặt ngoài khối Gantry 64

Hình 3 11 Bên trong khối Gantry 64

Hình 3 12 Hệ thống quay Rotor 65

Hình 3 13 Hệ thống làm nghiêng khối Gantry 66

Hình 3 14 Sơ đồ cấu tạo động cơ đơn cực 6 đầu dây góc quay 90 độ 67

Hình 3 15 Điều khiển vi bước 69

Hình 3 16 Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ bước 70

Hình 3 17 Sơ đồ chân Vi điều khiển AT89C51 71

Hình 3 18 Sơ đồ khối IC ULN2003 72

Hình 3 19 Sơ đồ cấu tạo 1 kênh đệm dòng của ULN2003 73

Hình 3 20 Mô phỏng điều khiển động cơ bước 73

LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội, các thiết bị y tế hiện đại như CT- SCANNER, PET, MRI…cũng được nghiên cứu, thiết kế và hoàn thiện để đáp ứng cho nhu cầu sống ngày càng cao của con người

Trong quá công tác của mình tôi được tiếp xúc nhiều với thiết bị y tế trong bệnh viện, đặc biết là máy chụp cắt lớp vi tính CT- Scanner Do đó tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển di chuyển bàn và gantry của máy chụp cắt lớp vi tính tại khoa chẩn đoán hình ảnh bệnh viện đa khoa tỉnh Bắc Giang”

Đồ án bao gồm 3 chương :

Chương 1: Tổng quan về chụp cắt lớp vi tính CT Scanner

Chương 2 : Cấu tạo máy CT Scanner

Chương 3: Nghiên cứu hệ thống điều khiển di chuyển bàn và gantry của máy chụp cắt lớp vi tính tại khoa chẩn đoán hình ảnh bệnh viện đa khoa tỉnh Bắc giang

Do còn có nhiều hạn chế về mặt kiến thức và thời gian nên đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót , rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp của thầy cô và các bạn để đồ án của tôi có thể được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Phan Kiên – giảng viên bộ môn Điện Tử Y Sinh, các thầy cô giáo trong bộ môn Điện Tử Y Sinh đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án, để tôi có thể hoàn thành đồ án đúng tiến độ

và đảm bảo kết quả đã đề ra Tôi xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỤP CẮT LỚP MÁY

TÍNH CT SCANNER Chương này sẽ đưa ra kiến thức chung nhất về lịch sử phát triển cũng như những vấn

đề liên quan đến máy chụp cắt lớp vi tính CT SCANNER

1.1 Kiến thức chung về chụp cắt lớp vi tính

1.1.1 Quá trình ra đời và lịch sử phát triển

Chụp cắt lớp máy tính CT – Scanner có tên gọi đầy đủ là computer tomography Scanner, đây chính là một phương pháp khảo sát cấu trúc của đối tượng cần nghiên cứu theo từng lớp cắt,dựa trên đặc tính tương tác giữa các trường vật lý hoặc các hạt

cơ bản chuyển động với cấu trúc của đối tượng cần nghiên cứu.Từ những tín hiệu thu được qua quá trình khảo sát và các thuật toán khôi phục ảnh,chúng ta có thể khôi phục lại cấu trúc của đối tượng theo các mức độ chính xác khác nhau

Vào năm 1895, trong quá trình nghiên cứu sự phóng điện ở khí kém, nhà bác học Rơnghen người Đức đã phát hiện thấy một loại tia có khả năng đâm xuyên qua lớp vật chất, làm đen kính ảnh được đặt tên là tia X và thường gọi là tia Rơnghen Tia Rơnghen đã được đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong ngành y tế, sự ra đời của máy chụp X Quang đã hỗ trợ các bác sỹ rất nhiều trong công tác chẩn đoán và điều trị Tuy nhiên, các máy chụp X Quang thông thường có

độ phân giải không cao, ảnh thu được lại là xếp chồng các ảnh của các thành phần có tia X đi qua

Để giải quyết vấn đề này người ta đi tìm một phương pháp mới để có thể thu được những bức ảnh X-Quang rõ nét và dễ dàng quan sát hơn Năm 1967, G.Hounsfield - nhà khoa học Anh quốc và Cormack - nhà vật lý người Mỹ bắt đầu tiến hành thực nghiệm cơ sở quét lớp sọ não và khởi đầu sản xuất thử máy quét lớp sọ não EMI Bắt đầu từ đây các nghiên cứu và các thiết kế về thiết bị chụp cắt lớp được ra đời và không ngừng được cải tiến nhằm nâng cao : chất lượng ảnh, độ tương phản hình ảnh, độ phân giải và giảm liều lượng tia X lên cơ thể bệnh nhân

Như vậy, trong hơn 40 năm phát triển từ lý thuyết đến thực tiễn, máy chụp cắt lớp điện toán đã được phát triển và ngày càng hoàn thiện về công nghệ Trải qua 5 thế

hệ máy, máy đã dần trở thành công cụ chẩn đoán hình ảnh ưu việt và được đánh giá

là một trong 10 phát minh lớn nhất thế kỷ XX Ngày nay, máy CT đã được lắp đặt ở rất nhiều bệnh viện trên thế giới và tương đối phổ biến

1.2 Các thế hệ máy CT-Scanner

1.2.1 Thế hệ máy CT thứ nhất

Cấu trúc : Hệ thống của máy CT thế hệ thứ nhất ở mức khá đơn giản, chỉ bao gồm một đầu dò, chùm tia phát ra hẹp và song song dạng thẳng có kích thước cỡ một chiếc bút chì

Phương thức quét : Bóng X-quang và đầu dò được gắn cố định, dịch chuyển song song theo hướng vuông góc với chùm tia và bao trùm toàn bộ mặt phẳng lớp cắt Sau

đó toàn bộ hệ thống này quay một góc rồi lặp lại quá trình dịch chuyển song song Quá trình tiếp diễn cho tới khi số lượng tín hiệu thu được đủ lớn để tái tạo ảnh

Hệ thống này hiện tại gần như đã bị loại bỏ trong ứng dụng vì hiệu suất sử dụng rất kém, thời gian để tạo được ảnh có khi mất gần nửa ngày Do chỉ có một đầu dò và sử dụng tia X có dạng song song, bởi vậy không tận dụng hết được hiệu suất của bóng

X quang, trong khi bức xạ tia X từ anode có thể bao trùm một góc 6,28 rad thì chùm tia bức xạ dùng để chụp chỉ bao trùm một góc 10−4 rad Mặt khác do cần thiết phải tạo liều bức xạ tại cảm biến đầu dò đủ lớn để đo nên máy khó lòng dịch chuyển với tốc độ cao

Với hệ thống này, việc tái tạo ảnh có nhanh cũng phải mất đến cỡ 10 phút, bởi vậy trong thời đoạn đầu của máy CT, loại máy này chỉ dùng để chụp các cơ quan tĩnh như xương và sọ não

Hình 1 1 Mô tả phương thức quét của máy CT thế hệ thứ nhất

1.2.2 Thế hệ máy CT thứ hai

Cấu trúc : Thay vì dùng một đầu dò như ở thế hệ thứ nhất, máy dùng một chùm đầu

dò khoảng 20 – 30 chiếc bố trí kề nhau trong hướng quét, chùm tia có dạng hình quạt ( Hình 1.2 )

Phương thức quét : Máy thế hệ thứ hai vẫn có chùm tia chưa bao trùm hết được toàn

bộ lát cắt ở cơ thể người, bởi vậy hệ thống vẫn thực hiện hai loại dịch chuyển là song song và quay để thực hiện các phép chiếu

Hình 1 2 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ hai

Với cách bố trí hệ thống đo này, nguồn bức xạ tia X từ bóng X quang được sử dụng hiệu quả hơn nhiều, có thể thực hiện được nhiều phép chiếu tương ứng với số lượng cảm biến và thu được nhiều dữ liệu đo đồng thời, vì vậy góc quay và khoảng dịch chuyển giữa hai lần chiếu theo mặt phẳng ngang sẽ tăng, kết quả giảm tổng số bước

quét phẳng và số lần quay của hệ thống đo Tuy vậy với hệ thống này, tuỳ thuộc vào

số cảm biến thời gian tạo ảnh một lớp cắt trong khoảng từ 10 – 60 giây Tuy nhiên do quán tính cơ học khi chuyển động ngang hoặc quay, việc giảm thời gian tạo ảnh xuống

thấp nữa đối với hệ thống đo này không thể thực hiện được

1.2.3 Thế hệ máy CT thứ ba

Cấu trúc : Số lượng đầu dò tăng lên hàng trăm chiếc được chế tạo ở dạng mảng đầu

dò, hệ thống đầu dò được gắn cố định với bóng X quang Bóng X quang phát chùm tia X có hình rẻ quạt với góc từ 30 − 60𝑜 tuỳ theo số lượng đầu dò, tuy nhiên chùm tia X và hệ thống đầu dò bao trùm toàn bộ lát cắt

Phương thức quét : Hệ thống đo quay quanh đối tượng một góc 360 độ Trong quá trình quay, tia X được phát thành xung tại những góc cố định hoặc phát liên tục

Hình 1 3 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ ba

Với cấu trúc này, nguồn bức xạ tia X được sử dụng tối ưu hơn, hệ thống chỉ thực hiện chuyển động quay và quay liên tục nên thời gian chụp giảm xuống rõ rệt chỉ còn cỡ

5 – 10 giây Giảm thiểu liều lượng bức xạ mà bệnh nhân phải chịu trong quá trình

chụp

Khả năng quét : quét được nhiều lớp cắt trong thời gian ngắn, nhưng các lớp cắt được chụp không liên tục

1.2.4 Thế hệ máy CT thứ tư

Cấu trúc : Mảng đầu dò và bóng X quang vẫn được gắn cố định, tuy nhiên các nhà sản xuất đã làm một hệ thống kép gồm hai bóng X quang và 2 mảng đầu dò hoạt động cùng lúc Điển hình là hãng Siemens

Phương thức quét : không thay đổi so với máy thế hệ thứ ba

Ưu điểm : thời gian chụp rất ngắn, cỡ chừng 1-5 giây Ở máy Somatom của Siemens sản xuất đầu năm 2014, thời gian chụp một lát cắt ở ngực một người lớn chỉ mất 1 giây, giúp cho bệnh nhân không phải ngừng thở trong quá trình chụp

Thế hệ máy thứ tư có sử dụng thêm các công nghệ mới về vi mạch và cảm biến, do vậy nhiễu được giảm, không còn nhiễu hình tròn (ring artifact) như thường xảy ra với các máy thế hệ thứ ba

Hình 1 4 Máy Somatom của hãng Siemens sử dụng 2 nguồn bức xạ tia X

1.2.5 Thế hệ máy CT thứ năm

Cấu trúc : Khác với những máy thuộc thế hệ trước, bóng X quang và đầu dò gắn chặt

với nhau, cùng dịch chuyển hoặc quay Máy thế hệ thứ năm có hệ thống đầu dò tách biệt với bóng X quang - đó là một tập hợp rất nhiều đầu dò, bố trí trên một vòng tròn bao quanh khoang bệnh nhân và các đầu dò được cố định trên vòng tròn này Bóng

X quang được tách rời, và có khả năng quay 360 độ liên tục không cần ngừng để đảo chiều

Phương pháp quét: Bóng X quang quay tròn quanh bệnh nhân, chùm tia phát thành

hình rẻ quạt bao phủ vùng cần khám nghiệm, các phần tử cảm biến đầu dò sẽ được đóng / ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng

Hình 1 5 Máy CT thế hệ thứ năm

Ưu điểm của loại máy thuộc thế hệ thứ năm: Thời gian chụp ngắn nhất tương tự như đối với thế hệ thứ ba, cỡ một vài giây Không bị nhiễu ảnh hình tròn (ring artifact) như thường xẩy ra đối với máy thuộc thế hệ thứ ba Tuy nhiên máy có cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dò lớn hơn rất nhiều, số lượng đầu dò bao phủ kín vòng tròn

Hình 1 6 Mô hình hệ thống CT đơn giản nhất (1967)

Cơ sở để tạo ra ảnh CT đó chính là việc dùng đầu dò cảm biến ghi nhận lại tia X sau khi đi qua lát cắt, để tính toán độ suy hao của tia X, từ đó có thể đưa ra những hình

ảnh quy ước theo thang màu

Theo mô hình trên, ống phát tia X sẽ phát ra 1 chùm tia X, sau khi đi qua bộ chuẩn trực colimator, chùm tia này chỉ là một chùm tia nhỏ, có độ dày cỡ 1 chiếc bút chì Giả sử ta cần chụp ảnh 1 lớp cắt của cơ thể, ta sẽ cho chùm tia trên đi xuyên qua lớp cắt, tại nhiều hướng khác nhau Tuy nhiên, ta sẽ lần lượt dịch chuyển hệ thống ống X quang và đầu dò trên mặt phẳng tiết diện cắt, vuông góc với chùm tia Đồng thời, cứ mỗi lần dịch chuyển, đầu dò sẽ ghi nhận tia X, biến đổi thành tín hiệu điện thông qua

bộ đo lường điện sẽ ghi lại cường độ của tia X, sau đó đưa dữ liệu về máy tính Như vậy sau khi đã dịch chuyển qua toàn bộ tiết diện lớp cắt, một tập hợp số liệu được ghi lại tương ứng với một tiết diện chéo ( lateral sections ), tập hợp số liệu này được gọi

là một phép chiếu (projection)

Trái ngược với X-quang cổ điển, để tạo được ảnh trong kỹ thuật chụp ảnh CT, ta cần nhiều phép chiếu Hay nói đúng hơn là ta cần nhiều tập hợp dữ liệu như trên ở nhiều hướng khác nhau Những phép chiếu này được tạo ra bằng cách xoay hệ thống đầu

dò - ống phát xung quanh trục vuông góc với mặt phẳng lớp cắt, mỗi lần xoay ta chỉ xoay đi một góc nhỏ cỡ 1 độ Sau khi xoay, ta lại thực hiện lần lượt quy trình chiếu

như trên để hoàn thành một phép chiếu Lần lượt như vậy, các phép chiếu được liên tiếp tạo ra cho đến khi cả hệ thống đã dịch chuyển 1 góc quay ít nhất 180 độ

Hình 1 7 Nguyên tố thể tích Voxel và nguyên tố ảnh pixel

Trong quá trình đo, những số đo như vậy sẽ được mã hoá theo một dạng thích hợp rồi truyền tới máy tính Với kỹ thuật ngày nay, để tạo được một ảnh cần tới hàng trăm phép chiếu và mỗi phép chiếu cần tới vài trăm số đo, như vậy tổng cộng phải cần đến 100.000 – 1.000.000 số đo Sau đó, dựa trên những số đo này, máy tính sẽ tính ra những độ suy giảm và sự phân bố của những sự suy giảm này trên tiết diện lớp cắt của đối tượng, những vùng có độ suy giảm cao sẽ được ấn định giá trị cao và ngược lại

Vì khả năng của máy tính chỉ có thể xử lý và tính toán một số lượng giới hạn số đo

và độ suy giảm, nên cần phải giả thiết lớp cắt như là một tập hợp của rất nhiều nguyên

tố thể tích (volume elements – voxels) hình khối lập phương và độ suy giảm tại mỗi phần tử này là hằng số 𝜇𝑖 (hình 1.7) Máy tính sẽ xử lý và tính toán cho các phần tử

thể tích này Tuy nhiên cần luôn nhớ rằng, trong thực tế, độ suy giảm tia X luôn biến đổi ngay trong các nguyên tố thể tích riêng rẽ thuộc lớp cắt vì vậy trị số suy giảm tính toán chỉ là giá trị trung bình

Đầu tiên, trong quá trình tạo ảnh, hình ảnh của lớp cắt chỉ được biểu hiện dưới dạng những tập số liệu lưu giữ trong máy tính và không thể quan sát ngay bằng mắt Để có thể nhìn được, cách đơn giản nhất là tìm những giá trị độ suy giảm đã được đã được

bố trí theo đúng vị trí còn gọi là ma trận điểm ảnh Tuy nhiên để hình dung ra tấm ảnh thông qua các số liệu về độ suy giảm quả là một việc rất khó khăn vì số lượng các giá trị này rất lớn , thông thường một ma trận như vậy có từ 256 x 256 đến 512 x

512 hoặc có nhiều giá trị hơn với các ma trận cỡ lớn hơn nữa Cách biểu diễn này rất

ít dùng có chăng chỉ đối với một phần của ảnh Thông thường, ma trận số này được chuyển đổi thành các mầu sắc trắng, xám, đen, hoặc mầu để hiển thị trên màn hình

và mắt người có thể phân biệt dễ dàng

Trên thực tế, máy tính sẽ tính toán các số liệu và đưa ra ma trận các giá trị độ suy giảm cho mỗi điểm ảnh (pixel), từ đó đưa ra hình ảnh bằng cách gán màu cho các giá

trị độ suy giảm [3]

1.3.2 Thang đo độ suy giảm tuyến tính của tia X

Để đánh giá độ suy giảm của một chất đồng chất đối với tia X đơn sắc, ta có phương trình L’ambert :

𝐽 = 𝐽𝑜 𝑒−𝜇𝑥 (1.1)

Trong đó :

𝐽 : Cường độ bức xạ tia X ló

𝐽0 : Cường độ bức xạ tia X tới

𝑥: Bề dày đối tượng

𝜇 : Hệ số suy giảm tuyến tính của vật chất đối với tia X đơn sắc

Trị số 𝜇 phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng lức xạ, bởi vậy chỉ có ứng dụng hạn chế

để đặc trưng hoá khả năng làm suy giảm bức xạ tia X của đối tượng Do vậy trong công nghệ chụp ảnh cắt lớp điện toán CT, thay vì sử dụng các trị số 𝜇 một cách trực

tiếp, người ta sử dụng một đơn vị đặc trưng gọi là chỉ số CT (CT number) Chỉ số CT được tính bởi công thức sau :

𝐶𝑇𝑖 = 𝜇𝑖−𝜇𝑛ướ𝑐

𝜇𝑛ướ𝑐 1000 (1.2)

Chỉ số CT có đơn vị là Hounsfield, viết tắt là HU

Các trị số CT của nước, không khí, các cơ quan nội tạng của con người được minh hoạ trên hình 1.8

Hình 1 8 Bảng Trị Số CT của nước, không khí và các cơ quan nội tạng

Như vậy, trị số CT và độ suy giảm tuyến tính là hai đơn vị quan trọng trong việc tạo ảnh CT Công việc của máy tính chính là tìm ra trị số suy giảm tuyến tính, từ đó tính

ra các trị số CT rồi theo quy ước màu đưa ra ảnh cho từng pixel.Theo quy ước, nước

có trị số CT là 0, không khí có trị số CT là -1000

1.3.3 Cơ sở tạo ảnh

a Cơ sở lý thuyết chung

Như đã phân tích chi tiết ở phần trên, máy CT có thể chụp ảnh quang tuyến X nhưng lớp cắt ngang thuộc cơ thể mà những ảnh này không bị nhiễu gây ra bởi các bóng của các lớp cận kề Hơn nữa, trái với việc tạo ảnh quang tuyến cổ điển, hình ảnh CT không còn là ảnh xếp chồng Điều mà nó tạo ra là biểu hiện được khả năng làm suy

giảm bức xạ tại chỗ của từng ảnh điểm – tức là thuộc tính vật lý của tế bào sinh học

được biểu hiện qua dạng mức xám

Trong khi với phương pháp tạo ảnh quang tuyến X cổ điển, dù đã tạo được ảnh sắc nét thì những hình ảnh của các lớp cận kề có mặt trong trường bức xạ cũng vẫn đặt chồng vào ảnh của lớp cần quan tâm và trong một mức nào đó tạo ra bóng nhiễu, trong máy CT thì những bóng này đã bị loại trừ vì điểm hội tụ và cảm biến đo chỉ nằm trong mặt phẳng lớp cắt đang được nghiên cứu, và chùm tia bức xạ chỉ cắt lớp này Điều này có nghĩa là mỗi cấu trúc của mô trong lớp cắt tự tạo ra bóng ảnh của mình Nói cách khác, với một vị trí xác định của điểm hội tụ và cảm biến, sự phân bố của cường độ đo được của tia X thâm nhập vào đối tượng chỉ cung cấp thông tin về

tổng của toàn bộ độ suy giảm đối với tia X khi xuyên qua đối tượng

Để tạo ảnh từ những tập hợp dữ liệu bao gồm cường độ đã đo và các hướng chiếu, ta

cần phải thực hiện một số phép biến đổi từ phương trình (1.1) như sau :

Nếu chỉ đơn giản đặt chồng (superposition) những tín hiệu cường độ riêng rẽ đã được

xử lý như trên vào ma trận ảnh thì sẽ không đạt yêu cầu vì hình ảnh được tạo ra như vậy vẫn còn tồn tại những bóng mờ dàn trải (extensive blurring) (hình 1.9 a)

Để khử những bóng mờ này, phép chiếu sau khi đã được tiền xử lý, sẽ được trộn (convoluted) với hàm lọc trước khi được xếp chồng trở lại vào ma trận ảnh (hình 1.9 b)

Việc tái tạo ảnh theo các bước trên đây, ngày nay được áp dụng phổ biến trong các máy CT, và được gọi là quá trình xử lý lọc Quá trình này đã chỉnh lý các tín hiệu, biến đổi chúng từ tín hiệu mang nhiễu tách ra các phần nhiễu (âm) và tín hiệu chuẩn (dương) Nếu hàm lọc được lựa chọn thích hợp thì hình ảnh tái tạo sẽ không còn bóng nhiễu mờ

Đặc trưng của quá trình xử lý lọc nhiễu là từng giá trị đo đều được chỉnh lý, sửa đổi theo các mức độ khác nhau để phù hợp với từng ảnh điểm Đây cũng là điểm đặc trưng khác biệt giữa kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp điện toán CT với kỹ thuật chụp ảnh X-quang cổ điển trong công nghệ xử lý chống nhiễu [4]

Hình 1 9 Tạo ảnh bằng tái tạo đơn giản (a) và Tái tạo ảnh có ứng dụng của hàm

lọc cùng thuật toán convolution (b)

b Nguyên lý tái tạo ảnh trên thực tế

Như ta đã biết, trên thực tế, để tạo ảnh CT, người ta phải coi lát cắt là một ma trận các nguyên tố thể tích (voxel) và từ đó tạo dựng ma trận điểm ảnh (pixel) Mỗi điểm ảnh trong ma trận đó lại được đặc trưng bởi một hệ số suy giảm tuyến tính 𝜇𝑖𝑗 Như vậy ta cần tới tập hợp rất nhiều phép chiếu theo các phương khác nhau, đối tượng chụp càng phức tạp thì càng cần nhiều các phép chiếu Ta cần có công thức tổng quát

hơn cho việc tái tạo ảnh

Tuy nhiên, những đối tượng có cấu quá trúc tinh vi thì ít được tạo ảnh bằng CT, vì chỉ có thể tạo được ảnh của đối tượng này với nhiều bóng mờ Đứng về phương diện

lý thuyết thông tin, hệ thống đo thực hiện phép lọc thông giai thấp và vì vậy nó chỉ

mô phỏng đối tượng nào có mức đô tinh vi nhất định Vấn đề cần xác định xem cần bao nhiêu phép chiếu sẽ được xem xét ở những phần sau: Bề dầy hữu hạn của cảm biến và của hội tụ trong máy CT không nên xem như là nguyên nhân làm giới hạn độ

phân giải mà nên xem đó như là một điều kiện cần thiết để tái tạo một ảnh CT rõ ràng

Hình 1 10 Các hệ toạ độ trong máy CT chùm tia song song

Để phân tích nguyên lý tái tạo ảnh, ta sử dụng loại máy CT có cấu trúc đơn giản nhất – loại máy có chùm tia song song Tuy các loại máy phát chùm rẻ quạt và hình côn

và cảm biến mảng vòng đòi hỏi các thuật toán phức tạp hơn, dù vậy chúng vẫn dẫn xuất từ thuật toán áp dụng cho loại máy phát chùm tia song song bằng phép biến đổi toạ độ

Nguyên lý quét đơn giản được minh hoạ lại trên hình 1.10, trong đó một phép chiếu (projection) được đặc trưng bởi vị trí 𝜂 trong hệ toạ độ 𝑂𝜂𝜉 lệch một góc 𝜑 so với

𝑃𝜑(𝜂) = ln 𝐽0

Trong đó 𝑃𝜑(𝜂) là dữ liệu phép chiếu theo hướng 𝜑 và vị trí 𝜂

Trong nhiều hệ thống máy CT, những phép tính loga này được thực hiện như là một công đoạn của quá trình tích luỹ dữ liệu và dữ liệu 𝑃𝜑(𝜂) được truyền tới máy tính,

vì vậy phép tính loga được xem như một phần trong quá trình xử lý dữ liệu đo và hàm

𝑃𝜑 là một phép chiếu

Có hai phương pháp khác nhau áp dụng cho việc giải phương trình tích phân (1.5)

Trong phương pháp đầu tiên, phương trình này được viết dưới dạng rời rạc, tức là

𝜇𝜉 = ∑ 𝜇𝑖𝜉, từ đó phương trình này được chuyển đổi thành một hệ phương trình đại

số tuyến tính, và sau khi giải hệ phương trình này, ta được các hệ số suy giảm tuyến

tính Một phương pháp khác được sử dụng là phương pháp gần đúng

Một máy tính sẽ thực hiện việc tính toán tái tạo ảnh do khối lượng các phép tính là rất lớn Máy tính này cần có những phần tử tính toán đặc biệt để đáp ứng yêu cầu giải các thuật toán CT nhanh, do đó việc xử lý tái tạo ảnh sẽ được rút ngắn thời gian [5]

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO MÁY CT SCANNER

Chương này sẽ trình bày cấu tạo của một máy chụp cắt lớp vi tính và qua đó cũng giới thiệu một số máy CT Scanner hiện đại

2.1 Cấu tạo cơ bản một máy CT-Scanner

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

máy CT-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 Máy in phim LASER

7 Các phụ kiện kèm theo: Đĩa từ, nguồn dự phòng (UPS)

Hình 2 1 : Hệ thống máy CT-Scanner thực tế

Một cách tổng quan, một hệ thống máy CT-Scanner được thể hiện ở hình 2.1 và hình 2.2 Do hệ thống máy CT-Scanner 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 cấu tạo riêng Cấu tạo của từng bộ phận theo từng thế hệ máy sẽ được trình bày ở phần các thế hệ máy CT-Scanner Trong phần cấu tạo chung khó có thể đi vào chi tiết

Hình 2 2 : Mô hình hệ thống máy CT-Scanner

2.1.2 Giàn quay

Giàn quay là khối chứa nhiều thiết bị quan trọng nhất của hệ thống máy CT-Scanner bao gồm các khối thiết bị sau đây (hình 2.3):

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

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

Hình 2 3 Bên trong giàn quay của máy CT-Scanner

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 [6]

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

2.1.3 Giàn quay của máy CT thế hệ thư ba và thứ tư

Hầu hết các máy CT 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

a Các kiểu quay

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 theo một chiều liên tục Do quán tính cơ học nên thời gian thực hiện một lát cắt không thể thấp hơn 3

giây Và điều này chỉ cho phép tạo ra những lát cắt rời rạc

Trong những năm 2000 – 2004, công nghệ vòng trượt ra đời, điều này khiến cho các giàn quay được thiết kế và chế tạo theo kiểu mới, và giàn quay có khả năng quay liên tục theo một chiều Việc cấp điện, truyền tín hiệu giữa các bộ phận trong giàn quay

và từ giàn quay đến máy tính được thông qua các vòng trượt Nhờ kiểu quay này, máy không còn bị giới hạn của quán tính cơ học và thời gian thu thập 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 [7]

b 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

Hình 2 4 Hai loại vòng trượt hình đĩa và hình trụ

Hình 2 5 Hai phương thức tiếp điện vòng trượt A: tiếp điện áp thấp, B: tiếp

điện áp cao

Hiện nay đa số máy CT 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 khoang

đối tượng thăm khám

Hình 2 6 : (A) : Vòng Trượt; (B) : Chổi quét của hãng Picker International (Hoa Kỳ) ; (C) : Chổi quét của hãng Venturetec Mechatronic (Đức)

2.1.4 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

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 [11]

Hình 2 7 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của 1 ống tia X

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 [19]

Hình 2 8 Một ống tia X trong thực tế

2.1.5 Bộ chuẩn trực (Colimator)

Bộ chuẩn trực bao gồm 2 phần chính : bộ chuẩn trực trước bệnh nhân (Pre-Patient

Colimator) và bộ chuẩn trực sau bệnh nhân (Post-Patient Colimator)

Bộ chuẩn trực có trong các máy từ thế hệ thứ nhất đến những chiếc máy đầu tiên của

hệ máy thứ tư Khi ra đời công nghệ vòng trượt (slip ring) thì bộ chuẩn trực colimator chỉ được lắp đặt ở trước mảng đầu dò

Hình 2 9 Thứ tự sắp xếp bộ chuẩn trực trong máy CT

a 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

Hình 2 10 Chuẩn trực pre-patien đặt kèm ống tia X

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

Hình 2 11 Chuẩn trực trước bệnh nhân Pre-patien

b Bộ chuẩn trực sau bệnh nhân

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

Hình 2 12 Hai loại lưới chuẩn trực sau bệnh nhân post-patien .

Hình a : loại đơn lát cắt (plane) Và hình b : loại đa lát cắt (cross plane)

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 CT 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

2.1.6 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

Hình 2 13 Bố trí bóng X quang, cụm đầu dò và các bộ chuẩn trực để tạo chùm tia X hình rẻ quạt, có thể điều khiển độ dầy và khử tia phát xạ thứ cấp

2.1.7 Đầu dò

Trong quá trình phát triển của máy CT 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)

3 Đầu dò chất rắn gốm đất hiếm (Ceramic Scintillator)

a Đầu dò khí Xenon

Đầu dò khí Xenon bao gồm hai tấm điện cực được chế tạo bằng kim loại Vonfram đặt trong khoang kín chứa khí Xenon Vỏ khoang được làm bằng nhôm mỏng Khí

Xenon được nạp vào khoang tới áp suất 25 – 30 atm

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

Hình 2 14 Đầu dò khí Xenon

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

Hình 2 15 Cấu trúc đầu dò khí Xenon

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 CT, chỉ còn sử dụng

trong các nghiên cứu khoa học

b Đầu dò chất rắn thông thường𝑪𝒅𝑾𝑶𝟒

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

Hình 2 16 Cấu trúc đầu dò chất rắn

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 :

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 𝐶𝑑𝑊𝑂4 để 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 :

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 ẩm

Kích thước chế tạo nhỏ gọn, có thể làm một kích cỡ 0.5 x 0.5 x 10 mm

Tỷ số tín hiệu/nhiễu rất cao, nên ít bị nhiễu, tăng cường được độ sắc nét của ảnh

Liều lượng và cường độ tia X giảm, thời gian chiếu tia vào bệnh nhân thấp, vừa giảm

được tác động có hại đến bệnh nhân, vừa kéo dài tuổi thọ cho ống tia X

Nhược điểm :

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

c Đầu dò tham chiếu

Ngoài số đầu dò để thu tín hiệu qua bệnh nhân, máy CT còn có những đầu dò khác được gọi là đầu dò tham chiếu hoặc đầu dò kiểm soát Chúng được bố trí tại rìa của

hệ thống chuẩn trực và hệ thống điều khiển hình dạng chùm tia, cạnh lối ra của ống

2.1.8 Hệ thống thu thập và tích luỹ dữ liệu

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