Tìm hiểu hệ thống chụp cắt lớp điện toán CT

Hoạt động của máy CT thế hệ thứ nhất Năng lượng bức xạ từ bóng X quang phát ra từ Anode có thể bao trùm một góc 2 trong khi đó chùm tia bức xạ hiệu dụng chỉ nằm trong góc /4.. Hoạt động

Họ và tên : Bùi Tiến Hưng

Hình 1 Hình ảnh của máy CT

2 Lịch sử phát triển

Năm 1917, J.Radon một nhà toán học người Úc đã tìm ra một phương pháp tái tạo ảnh bằng một hàm tích phân, đặt nền móng cho việc chế tạo hệ thống máy chụp cắt lớp sau này Trong phát kiến của mình ông đã chứng minh được bằng phương pháp tính toán khi

ta chia một vật thể ra thành vô số các phần tử nhỏ bé có kích thước theo không gian ba

chiều và dùng phép quy chiếu ta sẽ thu được các kết quả mà dựa vào đó ta sẽ tái tạo được hình ảnh của vật đó Với phép quy chiếu người ta có thể truyền sóng tới vật thể, kết quả thu được là sự hấp thụ tán xạ của nó và dựa vào đó ta có thể sử dụng hàm của Randon để tái tạo được hình ảnh của vật thể Cơ sở toán học này đặt nền móng cho phương pháp tái tạo ảnh từ hình chiếu

Năm 1956, Bracewell người Úc lần đầu tiên đã sử dụng kỹ thuật tái tạo ảnh này trong lĩnh vực nghiên cứu về thiên văn học và từ đó ông đã phác họa được sự phát phổ của từng miền trên mặt trời

Năm 1961, Olendorf người Đức đã bước một bước tiến dài trong lĩnh vực này, ông

sử dụng tia gamma của đồng vị I-131 với detector tái tạo được ảnh của một vật thể đơn giản

Những năm 1963,1964 với nhiều sự cố gắng để cải tiến chất lượng ảnh Allan MacLeod Cormack một nhà toán học người Nam Mỹ là người đầu tiên đã mô tả một phương pháp chụp cắt lớp X quang, hoàn toàn đúng với phương pháp CT: nhờ phương pháp này có thể tạo ảnh một lớp cắt từ nhiều mặt cắt chéo xác định bởi kỹ thuật chụp X quang

Năm 1967, G.Hounsfield một nhà nghiên cứu khoa học người Anh bắt đầu tiến hành thực nghiệm cơ sở trên máy quét sọ não EMI tại phòng thí nghiệm trung tâm THORN EMI

sử dụng tia X

1970 khởi đầu sản xuất thử máy quét sọ não EMI

1970 lắp đặt mẫu máy quét sọ não EMI đầu tiên tại bệnh viện Atkinson Morley và khởi đầu thực nghiệm lâm sàng

Tháng 4/1972 lắp đặt máy cắt lớp sọ não tại bệnh viện Mayo và ông R.Sledley( học viện Georger Town) công bố về hệ thống máy chụp cắt lớp Tuy nhiên những máy thuộc gian đoạn này có tốc độ rất thấp, để có được một lớp cắt phải mất tới 4 phút, chất lượng ảnh rất kém nên chưa có nhiều tác dụng thực tế trong chuẩn đoán

1974 phát triển máy cắt lớp EMI CT5000 Viện hạt nhân Ohio phát triển hệ máy DELTA và thực nghiệm lâm sàng tại bệnh viện Clereland Kể từ đó trở đi thời gian quét 1 lớp giảm xuống chỉ còn 20s, có hiệu quả rõ rệt trong lâm sàng

1975 lắp đặt máy ACTA đầu tiên tại học viện Minnestoa và máy DETAL đầu tiên tại trung tâm y học nước Anhh Trong năm, khoảng 20 công ty đã tham gia sản xuất máy cắt lớp điện toán và một cuộc triển lãm về máy tại đại hội quang tuyến Bắc Mỹ đã thu hút

sự tham gia của nhiều công ty hàng đầu như: EMI, Viện hạt nhân Ohio, Pfizer, GE, Siemes, artonic, Syntex…

1979 Trao giải Nobel về y sinh học cho các nhà khoa học G.Hounsgield và A.Cormack

Phương pháp này có hiệu suất sử dụng nguồn X quang thấp, thời gian phát tia dài, không đáp ứng được nhu cầu bệnh nhân Do vậy hiện tại hầu như không được đưa vào sử dụng

Hình 2 Hoạt động của máy CT thế hệ thứ nhất

Năng lượng bức xạ từ bóng X quang phát ra từ Anode có thể bao trùm một góc 2 trong khi đó chùm tia bức xạ hiệu dụng chỉ nằm trong góc /4 Mặt khác công suất bóng

X quang hạn chế, muốn tải được dữ liệu ảnh thì liều bức xạ tại cảm biến phải đủ lớn, do đó máy không thể chuyển động với vận tốc cao

Do thời gian quét dài và hiệu quả thấp, chỉ ứng dụng để chiếu chụp các cơ quan tĩnh đặc biệt là xương sọ và não

Sự cải tiến đối với thế hệ máy thứ nhất này là đặt một bộ cảm biến thứ hai liền kề với bộ thứ nhất theo hướng bề dày lớp cắt và giữ nguyên các mối quan hệ dạng hình học,

dạng chùm tia tương ứng với cả hai bộ cảm biến và xử lý dữ liệu đo được nhằm giảm thời gian chụp

3.2 Máy CT thế hệ thứ hai

Máy CT thế hệ thứ hai được cải tiến hơn so với thế hệ trước, thay vì dùng một đầu

dò như thế hệ đầu tiên, người ta sử dụng một chùm đầu dò khoảng 20-30 chiếc bố trí kề cận liên tiếp nhau trong hướng quyét Chùm tia bức xạ phát ra có hình rẻ quạt

Tương tự như thế hệ thứ nhất, hệ thống đo được tiến hành chuyển động song song

và chuyển động tịnh tiến Sự dịch chuyển này liên tục và đều đặn Với cách bố trí ở hệ thống quét thế hệ này, nguồn bức xạ tia X từ bóng X quang được sử dụng hiệu quả hơn Tăng số phép chiếu tương ứng với số lượng cảm biến, thu được nhiều dữ liệu đo đồng thời, góc quay và khoảng cách chiếu vị trí liên tiếp được tăng lên Kết quả làm giảm tổng số bước quét phẳng và số lần quay của hệ thống đo

Tùy thuộc vào số lượng cảm biến mà thời gian tạo ảnh có thể được rút ngắn xuống còn 10-60s Tuy nhiên, quá trình chuyển động cơ học ngang hay quay dẫn đến không thể rút ngắn thời gian tạo ảnh xuống thấp hơn nữa

Hình 3 Hoạt động của máy CT thế hệ thứ hai

Hệ thống quay đối trục góc 3600 để thực hiện một lớp cắt Trong quá trình quay, tia

X có thể được phát ra dưới dạng xung tại những góc cố định hoặc phát liên tục Với cấu trúc ở thế hệ máy này, nguồn bức xạ tia X được sử dụng tối ưu, chỉ có chuyển dộng cơ học quay và liên tục chứ không phải ngừng bước, nên thời gian chụp có thể rút ngắn còn vài giây

Hình 4 Hoạt động của máy CT thế hệ thứ 3

3.4 Máy CT thế hệ thứ tư

Khác biệt với các thế hệ máy CT trước đây, với cấu trúc bóng X quang và đầu dò gắn chặt cố định 1 khung, cùng dịch chuyển hoặc quay đồng thời, thì ở thế hệ sau này, bóng X quang dược tách biệt với hệ thống đầu dò Với hệ thống đầu dò được bố trí trên một vòng tròn bao quanh khoang bệnh nhân

Hình 5 Hoạt động của máy CT thế hệ thứ 4

Bóng X quang quay tròn xung quanh bệnh nhân, chùm tia phát thành hình rẻ quạt bao trùm toàn bộ cùng cần thăm khám Và đồng thời, các phần tử cảm biến được đóng/ ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng

Thời gian chụp giảm xuống còn vài giây, giảm sự ảnh hưởng của nhiễu hình ảnh tròn Tuy nhiên, máy có cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dò lớn

3.5 Máy CT thế hệ thứ năm

Hình 6 Máy CT thế hệ thứ 5

Quá trình tạo lớp cắt hạn chế sự chuyển động của các bộ phận trong hệ thống đo, chùm tia X được phát ra bởi một hệ thống nhiều bóng X quang hoặc một loại bóng X quang đặc biệt với Anothe có nhiều rãnh bố trí đặc biệt xung quang bệnh nhân Hệ thống đầu dò được bố trí trong một vòng cung 1800 Chùm tia điện tử từ súng điện tử Cathode được điều khiển để bắn vào bề mặt các rãnh Another trong một góc quay 1800 nhằm giảm thời gian quét xuống thấp hơn nữa

3.6 Máy CT thế hệ thứ sáu

Thế hệ thứ sáu vẫn có nhiều đặc điểm kế thừa từ thế hệ thứ năm Nhưng đối với thế

hệ thứ sáu vòng phát tia X được giảm lược và có thể quay quanh bệnh nhân Đặc biệt vòng quay được thế kế vừa quay vừa có khả năng nhận nguồn từ bên ngoài Phương thức quét vẫn giống như thế hệ thứ năm, máy CT thế hệ thứ sáu quét bệnh nhân theo hình xoắn ốc

và chỉ cần 1s cho 1 lát cắt

Hình 7 Vòng quay của máy CT thế hệ thứ 6

3.7 Máy CT thế hệ thứ bảy

Hình 8 Máy CT thế hệ thứ 7

Tại thế hệ thứ bảy, bộ phận thu phát tín hiệu được cải thiện Với chùm tia X thay vì được phát trong một mặt phẳng thì thế hệ thứ bảy được phát thành một chùm hình nón có thể quét nhiều lớp cùng một lúc và detector cũng được bố trí thành một hệ thống nhiều hàng nhiều cột tương ứng với hình dạng tia phát ra.Với chùm tia X rộng hơn thì khả năng quét của máy được tăng lên đáng kể Nhiều lát cắt được thực hiện đồng thời một lúc

4 Cấu trúc tổng quát của máy CT

 Hệ thống máy tính

 Bàn điểu khiển

 Hệ thống tạo và điểu khiển cao thế

 Hệ thống ảnh

 Phụ kiện: đĩa quang từ, máy chụp lazer, nguồn điện dự phòng( UPS), ổn áp, …

Hình 9 Cấu trúc tổng quát của máy CT Scanner

4.1 Hệ thống dàn quay

Giàn quay bao gồm các bộ phận chính sau:

 Bóng phát tia

 Hệ thống Detector

 Điều khiển chuẩn trực

 Điều khiển hội tụ

 Điều chế liều tia

 Hệ thống đo dữ liệu

 Vòng trượt

Để tạo được các lớp cắt chéo, nghiêng theo các độ nghiêng khác nhau, giàn quay có thể được điểu chỉnh nghiêng so với mặt phẳng thẳng đứng với góc nghiêng( vát) từ (-300) tới (+300), và tùy thuộc vào từng loại máy mà góc nghiêng cực đại của giàn quay là khác nhau Góc nghiêng có thể được đặt tự động hoặc do người điều khiển lựa chọn thông qua các bộ phận cơ khí

Hình 10 Các bộ phận bên trong một giàn quay

Bóng phát tia:

Hình 11 Cấu tạo của một bóng phát tia

Bóng X quang và detector được lắp đặt cố định trên một khung có vị trí đối nhau Cấu trúc bóng X quang trong máy CT giống như máy X quang thông thường, đó là loại bóng Anothe quay và được làm mát bằng dầu và quạt gió để có thể phát tia liên tục trong thời gian dài Khả năng chịu nhiệt của bóng rất cao có thể tới 5 MHU, và trong bóng có bố trí

cảm biến nhiệt để đo lường và kiểm soát tình trạng chịu nhiệt của bóng trong suốt quá trình phát tia

Hệ thống detector:

Chức năng của detector là hấp thụ tia bức xạ khi đi qua cơ thể bệnh nhân, và sau đó chuyển đổi năng lượng chùm tia này thành tín hiệu điện( tín hiệu điện này tỷ lệ với cường

độ chùm tia) Tín hiệu điện sau đó được chuyển tới hệ thống đo dữ liệu

Điều khiển chuẩn trực:

Chuẩn trực là thiết bị dùng để chuẩn trực chùm theo độ dày của lát cắt Có hai kiểu chuẩn trực thông thường trong hệ thống CT:

- Chuẩn trực bóng, mục đích để chuẩn trực xác định độ rộng chùm tia ngay từ cửa sổ

ra của bóng phát tia vì vậy nó còn được gọi là tiền chuẩn trực bệnh nhân Ngoài ra, nó còn dùng để xác định độ rộng đường viền của chùm tia và và chuẩn trực cho slice

- Chuẩn trực cho detector, mục đích để định dạng kích cỡ và độ sắc nét của chùm tia X

về mặt vật lý và hình dạng tia X Trong hộp chuẩn trực, một bộ phận xác định góc mở và một bộ phận nữa để xác định độ dày của chùm tia X Đây là bộ phận đặt cuối cùng có thể thay đổi được độ dày của chùm tia quét

Điều khiển hội tụ:

Điều khiển hội tụ chính là bộ phận chuẩn trực ở cửa sổ ra của bóng phát tia Chức năng chính là chuẩn trực cho chùm tia đi từ của sổ bóng được sắc nét hơn

Điều chế liều tia:

Là một bộ phận thực hiện chức năng giống như một bộ hồi tiếp Điều chỉnh thích hợp với độ dày mỏng khác nhau của cơ thể bệnh nhân, liều tia phát ra mạnh hay yếu Mục đích đảm bảo cho tín hiệu từ đầu ra của detector được hệ thống đo dữ liệu thu nhận tốt Tín hiệu

từ đầu ra của detector được hệ thống đo dữ liệu thu nhận và tín hiệu này được chuyển qua

bộ điều chế tia, kiểm tra dữ liệu, nếu thấy tín hiệu là bé thì lập tức được hồi trở về hệ thống phát tia để điều khiển nâng cường độ chùm tia phát lên thông qua qua việc tăng dòng bóng hoặc tăng điện áp Và ngược lại, nếu tín hiệu từ hệ thống đo dữ liệu là quá lớn thì lập tức

bộ phận điều chế tia sẽ phản hồi trở lại để điều khiển giảm cường độ chùm tia phát…Như vậy, bộ điều chế tia có chức năng làm ổn định cường độ của tia tới detector thu nhận là như nhau

Hệ thống quay:

Hệ thống quay thực hiện chức năng điều khiển góc nghiêng của giàn quay và độ quay của giàn quay Tốc độ quay của giàn quay phải phù hợp với tốc độ chuyển động tịnh tiến của bàn bệnh nhân phụ thuộc vào việc đạt Pitch

Vòng trượt:

Yêu cầu đầu tiên đối với việc thu nhận dữ liệu kiểu xoắn ốc cho máy thế hệ thứ 3 trở

đi, với hệ thống bóng phát tia và detector phải được quay liên tục Hoặc đối với thế hệ máy thứ 4, bóng phát tia phải quay liên tục Việc cung cấp điện áp cao thế hoặc hạ thế và truyền

dữ liệu giữa các bộ phận trong dàn quay và các bộ phận khác ở bên ngoài giàn quay là phải thông qua vòng trượt Một số form sử dụng chổi quét và vòng trượt hoạt động ở điện áp thấp( 200V-300V), khi bóng X quang phát tia và phải quay tròn thì điện áp được cung cấp cho bóng là rất cao khoảng 140kV

4.2 Bàn bệnh nhân

Di chuyển người bệnh ra vào vùng quét, tốc độ và khoảng di chuyển có thể điểu khiển chính xác tới từng mm Bàn có thể nâng cao, hạ thấp, và mức thấp nhất của các máy thế hệ mới là 30 cm, thuận tiện cho việc vận chuyển bệnh nhân

Việc định vị bàn và giàn quay có thể được điều khiển trực tiếp tại bảng điều khiển cạnh bàn hoặc tại bàn điều khiển chung

 Chụp ảnh lên phim hoặc cất giữ vào đĩa từ…

Máy tính phải có công suất lớn, tốc độ nhanh, và các thuật toán ứng dụng cho chương trình khám xét cho nhiều đối tượng: sọ não, phổi, thận, cột sống, hoặc có thể tạo ảnh không gian ba chiều…

4.4 Bàn điều khiển

Là nơi thao tác của bác sỹ và kỹ thuật viên X quang Tại bàn điều khiển có màn hình,

có máy chỉ có một màn hình hiển thị tất cả ảnh và số liệu, trong khi đó có nhiều máy có hai màn hình riêng biệt, loại lớn 21 Inches cho ảnh, loại nhỏ 14 Inches cho số liệu Các màn hình đều thuộc loại có độ phân giải cao

Một bàn phím nhiều chức năng và một con lăn dùng để giao diện với máy tính, thực hiện chức năng và di chuyển trỏ…

4.5 Hệ thống tạo và điều khiển cao thế

Hệ thống phân phố điện áp cung cấp điện áp thích hợp tới mọi bộ phận trong hệ thống

CT Trong hệ thống phân phối điện áp bộ phận quan trọng nhất là khối cao thế Khối cao thế từ thế hệ thứ 3 trở về trước được đặt riêng lẻ ngoài giàn quay Còn đối với máy thế hệ thứ 3 trở đi do được ứng dụng kỹ thuật cao tần nên các vật liệu được dùng để chế tạo có trọng lượng và kích thước giảm đi rất nhiều lần so với những vật liệu được dùng để chế tạo trong loại máy không ứng dụng kỹ thuật cao tần, do đó mà khối cao thế được lắp đặt ngay trong giàn quay Nhiệm vụ chính của khối cao thế là cung cấp điện áp cao thế cho bóng

- Bàn điều khiển và thiết bị hiển thị

5 Nguyên lý chụp hình của máy chụp cắt lớp điện toán CT

Chiếc giường sẽ tự động di chuyển đưa bệnh nhân vào khung CT Hệ thống CT xoán

ốc vừa quay nguồn đồng thời phát tia X liên tục xung quanh bệnh nhân trong khi vẫn di chuyển liên tục bàn bệnh nhân để thu nhận dữ liệu theo đường xoắn ốc Thời gian ghi hình rất ngắn cỡ 50 ms

Hình 11 Máy CT ghi hình theo đường xoắn ốc

Tia X được tạo ra khi dòng electron từ dây tóc bị đốt nóng đập vào bản dương cực làm bằng dây Tungsten, hay Vonfram trọng môi trường chân không Có hai loại tia X: tia X bức xạ hãm( Bremsstrahlung) và tia X đặc trưng( Characteristic X-ray) Thông thường,

người ta dùng tia X bức xạ hãm ở khoảng năng lượng thích hợp( thường từ 25 keV đến 120 keV) Trong những trường hợp đặc biệt, người ta phải dùng tia X đặc trưng Tia X phát ra

từ nguồn có thể có dạng song song hay dạng quạt

Hình 12 Các dạng tia X

Khi chiếu tia X qua cơ thể, do các tế bào khác nhau có mật độ vật chất khác nhau, nên chúng sẽ hấp thụ tia X ở mức độ khác nhau Cở sở của sự hấp thụ này chính là tương tác giữa tia X và các chất trong tế bào Kết quả là tia X bị suy giảm cường độ Trong cơ thể người, xương là cấu trúc đặc nhất so với các mô nên chúng sẽ hấp thụ tia X nhiều nhất Tia X sau khi đi qua cơ thể sẽ được phát hiện bằng đầu dò( detector) Đầu dò sẽ có tác dụng chuyển năng lượng tia X nhận được thành tín hiệu điện Đầu dò được dùng có thể là đầu dò sử dụng khí hiếm Xenon ở áp suất cao( khoảng 25 atm), hoặc đầu dò bán dẫn Tín hiệu điện thu được từ đầu dò được đưa đến máy tính để xử lý Máy tính sẽ dùng các thuật toán tái tạo hình ảnh của phần cơ thể được chụp và hiển thụ ảnh lên màn hình Máy tính phải rất mạnh để thực hiện tái tạo ảnh song song với quá trình thu dữ liệu, nhằm giảm thời gian trễ giữa lúc kết thúc thu tín hiệu và hiển thị ảnh

Hình 13 Sơ đồ hệ thống quét CT