Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số trong máy chụp mạch

Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số trong máy chụp mạch Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số trong máy chụp mạch Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số trong máy chụp mạch luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TR ẦN TẤN DŨNG

NGHIÊN C ỨU VÀ TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT XÓA NỀN ẢNH

CH ỤP MẠCH SỐ TRONG MÁY CHỤP MẠCH

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH X Ử LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Hà N ội, 2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TR ẦN TẤN DŨNG

NGHIÊN C ỨU VÀ TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT XÓA NỀN ẢNH CHỤP

M ẠCH SỐ TRONG MÁY CHỤP MẠCH

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH X Ử LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :

TS.NGUY ỄN THỊ HOÀNG LAN

Hà N ội, 2006

Lời nói đầu

Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học - công nghệ, các thiết bị y tế cũng tiến những bước dài, cho ra đời nhiều máy hiện đại, trợ giúp đắc lực cho các bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh Các máy chẩn đoán hình ảnh trong lĩnh vực thiết bị y tế đóng một vai trò vô cùng quan trọng như: Máy X- quang thường quy, máy chụp cắt lớp điện toán, máy cộng hưởng từ hạt nhân, máy chụp mạch, máy siêu âm

Máy chụp mạch là một trong những thiết bị ứng dụng rất nhiều kỹ thuật tiên tiến, thực hiện được nhiều chức năng thăm khám và điều trị bệnh phức tạp

về tim và hệ mạch máu, giúp giảm thiểu việc phẫu thuật đối với bệnh nhân Trong máy chụp mạch thì hệ thống xử lý ảnh đóng một vai trò vô cùng quan trọng mà kỹ thuật Xoá nền ảnh chụp mạch số - DSA(Digital Subtraction Angiography) là xương sống của hệ thống Việc ứng dụng kỹ thuật Xoá nền

ảnh chụp mạch số là một bước tiến quyết định khả năng thăm khám đa dạng

và can thiệp chuẩn xác trong máy chụp mạch

ứng dụng và phát triển kỹ thuật Xoá nền ảnh chụp mạch số là cách khai thác tối đa khả năng chẩn đoán và điều trị của máy chụp mạch Chính vì vậy

mà em đã mạnh dạn chọn đề tài "Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số trong máy chụp mạch" làm đề tài cho luận văn tốt

nghiệp của em, đây là kỹ thuật cơ bản hiện nay để chẩn đoán hình ảnh mạch máu Trên cơ sở nghiên cứu và tìm hiểu, luận văn sẽ tổng hợp tài liệu cũng như kinh nghiệm của nhiều chuyên gia trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh mạch máu để đưa ra các nhận xét, đánh giá cũng như các giải pháp nhằm cải thiện ảnh chụp mạch và tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số

để dựng ảnh 3D

Nội dung luận văn được trình bày bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tìm hiểu về thiết bị chẩn đoán hình ảnh

trong thiết bị y tế

Chương 2: Máy chụp mạch và kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số

Chương 3:Nghiên cứu và tìm hiểu các giải pháp cải thiện ảnh chụp mạch

số và ứng dụng kỹ thuật xóa nền để dựng ảnh 3D trong máy chụp mạch

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu và do

đây là một kỹ thuật rất phức tạp nên đồ án của em vẫn còn nhiều thiếu sót Em

kính mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý và chỉ bảo thêm của các thầy cô

giáo và các bạn để giúp em hoàn thiện đề tài này

5 DSA 1Digital Subtraction Angi1ography

13 MRA Magnetic Resonance 1Angi1ography

16 SAVD Sum of the Absolute Values of Differences

20 SDT Sum of the Absolute Values of Differences Above a Threshold

Danh mục cỏc hỡnh vẽ trong luận văn

Hỡnh 1.1 Ảnh chụp X quang thường 8

Hỡnh 1.2 Ảnh chụp nóo của mỏy cắt lớp 10

Hỡnh 1.3 Hỡnh học của ảnh hỡnh chiếu quột bằng tia X 11

Hỡnh 1.4 Trạng thỏi của cỏc hạt nhõn trong từ trường ngoài BRoR và sự hỡnh thành vectơ từ hoỏ M 14

Hỡnh 1.5 Trạng thỏi của vectơ từ hoỏ khi cú tỏc động của xung vụ tuyến 15

Hỡnh 1.6 Quỏ trỡnh đàn hồi 16

Hỡnh 1.7 Ảnh chụp vựng bụng của mỏy MRI 17

Hỡnh 1.8 Ảnh siờu õm vựng bụng của mỏy siờu õm 18

Hỡnh 2.1 Biểu đồ minh hoạ cho quá trình chụp mạch xoá nền 21

Hỡnh 2.2 Minh hoạ cho kỹ thuật DSA 22

1.1 Giới thiệu chung về ảnh y tế:

Việc nghiên cứu về quá trình tái tạo ảnh y tế liên quan đến các hiện tượng

tương tác, của tất cả các dạng bức xạ đối với mô và liên quan đến quá trình

phát triển của các công nghệ tích hợp, để thu được các thông tin hữu dụng từ

các quá trình quan sát về các hiện tượng tương tác này Các thông tin cụ thể

thường được hiển thị dưới dạng hình ảnh Các dạng ảnh có thể là ảnh đơn giản

như ảnh đen trắng được tạo ra thông qua việc ứng dụng của Rơngen hay phức

tạp hơn là các ảnh chụp cắt lớp, ảnh chụp mạch, ảnh siêu âm…

Các quá trình tạo ảnh y tế từ xưa đến nay đều có thể phân chia thành hai

bước xử lý như sau[1] :

- Thu thập dữ liệu liên quan tới các tương tác của một vài dạng bức xạ

đối với mô

- Biến đổi các dữ liệu này vào trong ảnh( Hoặc trong một tập ảnh)

thông qua các phương pháp toán học và các công cụ tính toán

Do các ảnh y tế hiện đại được tạo ra bởi các quá trình xử lý và tái tạo lại

hoặc xây dựng lại một ảnh từ cơ sở dữ liệu tương tác của các mô với các bức

xạ nên quá trình này thường được gọi là quá trình tái tạo và các ảnh này được

gọi là các ảnh tái tạo lại

Các loại ảnh y tế:

• ảnh chụp X quang:

Với trường hợp sử dụng máy X quang thế hệ đầu tiên, chúng ta có thể thấy

rằng các tia X được chiếu trực tiếp từ bóng X quang tới cơ thể con người Sau

khi truyền qua cơ thể con người, các tia X được các bác sĩ chẩn đoán quan sát

trực tiếp theo hai cách Đó là sử dụng một tấm gương chắn chùm tia thay cho

hệ thống phim hoặc cách thứ hai là sử dụng các loại phim chụp X quang Với cơ chế quan sát trực tiếp thì các nhà vật lý học y tế đã nhận ra rằng bản thân bác sĩ cũng bị tiếp nhận một lượng tia X tương ứng với bệnh nhân mà

đôi khi liều lượng của tia X còn ảnh hưởng lớn hơn đối với bác sĩ Chính vì vậy, phương pháp này được dần thay đổi và thay vào đó là một hệ thống casette đựng phim X quang Phim được rửa sẽ tạo nên một ảnh đen trắng về cơ cấu cơ thể người bệnh với cơ chế là suy hao của chùm tia X, vùng có mô mềm sẽ có mầu đen, còn vùng có xương sẽ có màu trắng hơn Cho đến hiện nay chúng ta đã sử dụng một hệ thống cảm nhận tia X quang, với hệ thống này thì ảnh thu đã được số hoá và chất lượng cũng như công dụng đã được cải tiến rất nhiều

• ảnh siêu âm:

Một ví dụ khác về các ảnh kinh điển là quá trình tạo ảnh siêu âm Theo phương pháp này, năng lượng sóng siêu âm dưới dạng xung được truyền vào cơ thể người bệnh, và các tín hiệu dội lại được ghi nhận bằng cùng một đầu dò

mà ta gọi là đầu dò siêu âm Bằng việc di chuyển đầu dò siêu âm tạo ra các góc khác nhau thì tín hiệu dội ngược được ghi lại một cách tuần tự và ảnh của một vùng cắt ngang cơ thể được hiển thị trực tiếp trên màn hình theo dõi Các

ảnh siêu âm là ánh xạ của các cường độ sóng dội ngược lại và các kết quả trực tiếp của các tương tác của xung sóng siêu âm đối với mô

• ảnh chụp cắt lớp:

Sau một thời gian sử dụng tia X trong quá trình tạo ảnh y tế, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp trong việc sử dụng tia X để tạo ảnh cắt lớp Thông qua việc thu nhận các hình chiếu của mỗi lần thực hiện chụp tia

X ứng với góc quay riêng biệt thì các hình chiếu này sau đó được tổ hợp lại để tạo ra các ảnh chụp cắt lớp riêng biệt

e I

I = 0 à (1.1)

Trong đó: IR 0 R: Năng lượng chùm tia tới

I: Năng lượng chùm tia sau khi đi qua đối tượng

s: Chiều dày của đối tượng

p: Mật độ vật chất trung bình của đối tượng

à: Hệ số suy giảm khối lượng Hệ số à biểu thị cấu trúc vật chất của các đối tượng và phụ thuộc vào năng lượng bức xạ

Hình 1.1: ảnh chụp X quang thường

Chùm tia X đã được biến đổi sau khi xuyên qua vật thể, sẽ tác động vào một vật hiện hình, từ đó tạo ra một hình ảnh tổng thành của toàn bộ thể tích

được tia X chiếu qua

1.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của máy X quang thường:

Có hai phương pháp thăm khám bằng tia X đó là chiếu và chụp Hai phương pháp này khác nhau về nguyên tắc, có những ưu nhược điểm nhất định

và bổ sung cho nhau

- Không bị gò bó bởi thời gian

- Giảm liều tia đối với người bệnh do thời gian chụp rất ngắn

- Giảm liều tia đối với người vận hành do có thể đứng ngoài khu vực ảnh hưởng của tia

- Cuối cùng, có thể lưu trữ ảnh lâu dài, tiện lợi cho việc theo dõi, đánh giá sự tiến triển của căn bệnh

• Chiếu X quang:

ảnh X quang được ghi nhận và đánh giá bởi người vận hành Những ưu

điểm của phương pháp này như sau:

- Việc chẩn đoán nhanh chóng tức thời

- Có thể định vị người bệnh ở tư thế thích hợp nhất sao cho hướng chiếu

và kích thước chùm tia X tạo được ảnh tốt nhất

- Có thể điều chỉnh tức thời công suất phát xạ phù hợp với từng đối tượng thăm khám

- Thích hợp với việc quan sát những tổ chức động như sự co bóp của tim

và các mao mạch lớn

- Thích hợp với việc quan sát và thực hiện các thủ thuật như tháo lồng, bó xương, lấy dị vật

Như vậy có thể nói hai phương pháp trên có những ưu nhược điểm nhất

định so với nhau, chúng được ứng dụng trong những thăm khám các đối tượng khác nhau và trong các hoàn cảnh khác nhau tuỳ theo chỉ định của thầy thuốc, chúng song song tồn tại và hỗ trợ nhau

• Hạn chế:

Máy X quang truyền thống có những hạn chế nhất định: ảnh X quang là

ảnh xếp chồng, mặt khác độ phân giải và độ đối quang của ảnh chưa thật cao nên khó thăm khám những bộ phận nằm sâu trong cơ thể như phát hiện khối u trong sọ não, những khuyết tật trong mao mạch, đặc biệt trong giai đoạn đầu khi những triệu chứng còn chưa rõ rệt Hơn nữa tia X là tia có hại cho cơ thể, vì vậy việc thăm khám bằng máy X quang không thể áp dụng cho mọi đối tượng

1.2.2 Máy chụp cắt lớp điện toán – Computed Tomography Scanner:

Khi bức xạ quang tuyến xuyên qua 1 lớp và vuông góc với trục của cơ thể người, tới một bộ phát hiện ( Detecter) gồm nhiều tế bào ghi nhỏ để đo bức xạ quang tuyến đã bị suy yếu khi đi qua các vùng khác nhau của cơ thể Hai bộ phận này (nguồn phát tia – bóng X quang và thiết bị đo – bộ phát hiện) liên kết hữu cơ với nhau, quay quanh cơ thể Những dữ liệu đo được sẽ

được ghi vào bộ nhớ Khi đó hệ thống sẽ xử lý dữ liệu và tái tạo lại hình ảnh của các lớp cắt

Hình 1.2: ảnh chụp não của máy cắt lớp

Một phương pháp thu nhận ảnh bằng hình chiếu điển hình đó là dùng phép biến đổi RADON:

- Cứ mỗi tia cắt qua vật thể là một hình chiếu một chiều của một lát cắt ngang của đối tượng

- Mỗi Pixel thu được tại bộ phát hiện chính là tổng số các tia X thu được dọc theo đường truyền từ nguồn phát tới nguồn thu

- Xoay nguồn thu xung quanh vật cần quan sát, thì thu được hình chiếu dưới nhiều góc độ khác nhau

- Mục đích của việc khôi phục ảnh là phải thu được ảnh của các mặt cắt của vật quan sát từ các hình chiếu của chúng

U

Phép biến đổi Radon[3]:

Biến đổi Radon của một hàm f(x,y) kí hiệu là g(s,θ), được định nghĩa như sau: Biến đổi Radon là tích phân đường dọc theo đường thẳng nghiêng

một góc so với trục y và cách tâm một khoảng là s

Công thức toán học của nó được viết như sau:

g(s,θ)=Rf= (1.2)

với

R là kí hiệu của toán tử biến đổi Radon, cũng được gọi là toán tử chiếu Hàm g(s,θ), là biến đổi Radon của f(x,y), là hình chiếu một chiều của f(x,y) tại góc θ

∫ ∫∞

∞

−

−+ y sin s ) dxdy cos

x ( ) y , x (

Về lý thuyết có 3 phương pháp tái tạo ảnh:

• Chiếu lại (Back Projection)

• Chiếu lặp lại (Iterative Back Projection)

• Lọc và chiếu lại (Filtered Back Projection)

Trong 3 phương pháp trên, phương pháp lọc và chiếu lại còn được gọi là phương pháp phân tích, nó được ứng dụng hầu hết các máy cắt lớp điện toán hiện đại Trong đó chỉ sử dụng một thuật toán - một hàm lọc( Filter Function),

để hiệu chỉnh dữ liệu thô với mục đích loại bỏ nhiễu nền trước khi chúng được chiếu lại vào ma trận để tái tạo ảnh

1.2.2.2 ưu điểm và nhược điểm của máy cắt lớp điện toán:

Sự khác biệt cơ bản giữa X quang thông thường và máy cắt lớp điện toán

ở chỗ: Trong máy X quang thông thường, chùm tia X phát xạ từ bóng X quang

đi xuyên qua toàn bộ bề dày của phần cơ thể cần xét nghiệm rồi thâm nhập vào phim Trên đường chiếu, chùm tia này bị suy giảm không chỉ bởi một mà nhiều bộ phận khác nhau, do vậy hình ảnh trên phim là kết quả của sự suy giảm tia X tổng hợp và có thể xem như do nhiều ảnh chồng lên nhau Kết quả

ảnh bị mờ và không có chiều sâu Trái lại trong máy cắt lớp điện toán khả năng làm suy giảm đối với tia X (còn gọi là độ suy giảm tuyến tính cục bộ) của từng phần tử nhỏ bé (còn gọi là nguyên tố thể tích – Voxel) nằm trong lớp cắt được đo và tính toán riêng rẽ, những số liệu này sau đó được dùng để tái tạo ảnh Như vậy sẽ loại trừ hiện tượng chồng ảnh lên nhau trên đường chiếu Trong máy X quang thông thường thì hướng quan sát trùng với phương chiếu, còn trong máy cắt lớp điện toán thì hướng quan sát vuông góc với phương chiếu Chính vì vậy ta có thể đưa ra một số ưu và nhược điểm của máy cắt lớp điện toán so với máy X quang thông thường

U

ưu điểm của máy cắt lớp điện toán so với máy X quang thông thường:

- Hình ảnh rõ nét không có hiện tượng nhiều hình chồng lên nhau

- Khả năng phân giải ở những mô mềm cao hơn nhiều

- Có thể tính được hệ số suy giảm của từng phần tử trên ảnh một cách chính xác nên có thể đánh giá được sự thay đổi cả về lượng và chất của đối tượng đang xét nghiệm

- Nhờ việc ứng dụng kỹ thuật số nên có thể xử lý tái tạo ảnh theo nhiều kiểu một cách nhanh chóng, ví dụ như: dựng lại ảnh theo các mặt phẳng, dựng

ảnh trong không gian 3 chiều, đo khoảng cách – tiết diện - thể tích, tính toán chỉ số cắt lớp (đơn vị biểu thị độ suy giảm tuyến tính) Phương tiện lưu trữ ảnh

đa dạng hơn và có thể truyền ảnh đi xa…

U

Nhược điểm của máy cắt lớp điện toán so với máy X quang thông thường:

- Chỉ có thể chụp ở một số tư thế, khả năng linh hoạt và cơ động kém

- Thời gian chụp dài hơn, người bệnh chịu nhiều liều lượng tia X hơn

- Khả năng chiếu kết hợp với các thủ thuật kém

- Chi phí đầu tư và vận hành cao

1.2.3 Máy cộng hưởng từ – Magnetic Resonance Imaging MRI:

1.2.3.1 Nguyên lý[1,2]:

Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân chính là sự tương tác có chọn lựa của các hạt nhân nguyên tử đặt trong từ trường không đổi với thành phần từ tính của sóng điện từ đi qua Hiện tượng này chỉ có thể khảo sát chính xác trên cơ

sở cơ học lượng tử Điều này khá phức tạp và không thực sự cần thiết, ở đây ta chỉ đề cập một số vấn đề cần thiết làm cơ sở để nghiên cứu nguyên lý hoạt

động của thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân

Hạt nhân các nguyên tử đều có điện tích Hạt nhân nguyên tử của một số nguyên tố hoá học (không phải tất cả các nguyên tố hoá học) có mômen động lượng riêng (mômen động lượng spin) Sự quay của hạt nhân với điện tích dương dẫn đến sự xuất hiện từ trường được đặc trưng bởi mômen từ →mpvà làm cho hạt nhân nguyên tử có thể được coi như một lưỡng cực từ

Khi không có từ trường ngoài, các lưỡng cực từ định hướng bất kỳ trong

không gian Khi đặt một mẫu vật chứa các nguyên tử có hạt nhân có mômen

từ riêng (chẳng hạn như proton) vào từ trường không đổi BR 0 R, thì các lưỡng cực

từ sẽ định hướng chủ yếu theo từ trường này làm xuất hiện véctơ từ hoá M→(t)

Xét trường hợp khi có thể bỏ qua các hiện tượng phân tán và giữa véctơ

động của vật rắn quanh một trục cố định khi có ngoại lực tác dụng Tần số tiến

động sẽ là:

ωο =−γHο (1.3)

Tần số ωο được gọi là tần số Larmor Tính chất quan trọng nhất của nó trong các bài toán chẩn đoán là sự tỷ lệ thuận của nó với cường độ từ trường bên ngoài H→ο Rõ ràng là có thể điều khiển tần số tiến động ωο bằng cách thay đổi H→ο Chẳng hạn nếu để H→ο phụ thuộc vào toạ độ thì có thể định vị các khu vực trong cơ thể với tần số xác định

Hình 1.4 Trạng thái của các hạt nhân trong

từ trường ngoài B 0 và sự hình thành véctơ từ hoá M→ [2]

Khi không có

S

B0Khi có từ trường ngoài

YZ

X

→ M

Giả thiết véctơ BR 0 R được hướng theo dọc trục Oz của một hệ quy chiếu thí nghiệm cố định Khi này, thành phần theo trục Z của véctơ từ hoá là MR z R có giá trị MR 0 R, thành phần này thường được gọi là véctơ từ hoá dọc Thành phần MR x R,

MR y R gọi là véctơ từ hoá ngang khi này bằng 0

Để kích hoạt sự tiến động của các hạt nhân với mục đích sau đó ghi nhận tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân phát ra ta sử dụng xung vô tuyến H(t) có tần

số ω0 Khi chịu tác động của xung vô tuyến, véctơ M t( )

→

dịch chuyển lệch khỏi trục Oz hướng về phía trục Oy và không rời khỏi mặt phẳng Oyz Góc lệch sau thời gian τ sẽ là:

τ ω

α = 1 (1.4) Góc này thường được chọn bằng π/2 hoặc π bằng cách tạo độ rộng hoặc biên độ tương ứng cho xung kích động cao tần Khi H = H(t) là xung với độ rộng hữu hạn τ, có thể xác định góc α theo công thức sau:

α (1.5)

Hình 1.5 Trạng thái của véctơ từ hoá khi có

tác động của xung vô tuyến [2]

Khi có xung RF tác động

Z

→ M

Khi xung RF 900 tác động

Khi không còn các tác động khác lên véctơ M→ ngoài từ trường bên ngoài, véctơ M→ sẽ quay dần về hướng véctơ BR 0 R, sự quay về, còn gọi là sự dãn hồi này

có hai thời gian đặc trưng là TR 1 R và TR 2 R

Hằng số thời gian TR 1 R đặc trưng cho quá trình giảm về giá trị ở trạng thái cân bằng của thành phần MR z R Thời gian này được gọi là thời gian dãn hồi spin

- mạng Hằng số thời gian TR 2 R đặc trưng cho quá trình dãn hồi về vị trí cân bằng của véctơ từ hoá ngang MR xy R được gọi là thời gian dãn hồi spin - spin Nhìn chung TR 2 R ≤ TR 1 R Véctơ từ hoá trong mặt phẳng xy trở về 0 trước khi véctơ

từ hoá dọc tăng dần đến giá trị cân bằng

Quá trình dãn hồi sẽ kích hoạt cuộn dây của thiết bị thu (anten) tạo ra một tín hiệu cao tần cảm ứng, tín hiệu này được gọi là tín hiệu suy giảm cảm ứng tự do FID (Free Induction Decline) Biên độ của tín hiệu này (chính xác hơn là tỷ lệ của biên độ FID so với biên độ của tín hiệu kích động) mang thông tin về lượng proton của chất đang xét tại khu vực kích động hay mật độ proton Dựa vào tốc độ suy giảm của tín hiệu suy giảm cảm ứng tự do có thể xác định thời gian dãn hồi TR 2 R đặc trưng cho thành phần hoá học của chất đang xét Sự tăng của thành phần Z trong véctơ từ hoá cho ta thông tin về thời gian dãn hồi spin - mạng TR 1 R

Hình 1.6 Quá trình dãn hồi[2]

Z

→ M

Hình 1.7: ảnh chụp vùng bụng của máy cộng hưởng từ

Việc thu nhận tín hiệu CHTHN được thực hiện bởi cuộn thu (đóng vai trò anten) Sơ đồ thực hiện kỹ thuật việc thu và xử lý FID thường gọi là bộ tách sóng cầu phương Tính toán và thực tế chỉ ra rằng tín hiệu CHTHN nhận được bởi cuộn thu và được xử lý bằng bộ tách sóng cầu phương chính là biến đổi Fourier của mật độ proton trong chất đang khảo sát Do đó bằng cách thay đổi trường gradient có thể thông qua thực nghiệm tìm được ảnh của hàm mật độ proton, sau đó dùng biến đổi Fourier ngược xác định mật độ proton, cũng chính là mật độ mô trong cơ thể

1.2.3.2 ưu điểm và nhược điểm của máy cộng hưởng từ:

U

Ưu điểm của phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ:

- Tạo được ảnh có độ phân giải và tương phản rất cao đối với mô mềm

mà các phương pháp khác chưa đạt được

- Có thể tạo ảnh lớp cắt với góc độ bất kỳ và bản chất không gian 3 chiều của phương pháp tái tạo ảnh

- Không dùng các bộ phận chuyển động và bộ phát hiện phức tạp như trong máy Computer Tomography Scanner

- Không sử dụng bức xạ có hại

- Khi chụp mạch không cần dùng chất cản quang

U

Nhược điểm của phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ:

- Thời gian tái tạo ảnh dài

- Chi phí đầu tư lớn

- Buồng máy phải có bộ chắn cao tần

- Chi phí vận hành cao, đặc biệt loại máy sử dụng nam châm siêu dẫn phải định kỳ nạp chất làm lạnh

- Đòi hỏi nghiêm ngặt về điều kiện lắp đặt và môi trường

Đặc biệt phương pháp này sẽ không áp dụng cho những bệnh nhân có kim loại trong cơ thể ( đặt máy tạo nhịp, gia cố xương bằng kim loại,…)

1.2.4 Máy siêu âm – Untrasound System :

1.2.4.1 Nguyên lý[1]:

Cơ sở tạo ảnh bằng phương pháp siêu âm là sự phản hồi của sóng âm từ các cơ quan nội tạng trong cơ thể Tần số của sóng âm trong các thiết bị siêu

âm chẩn đoán từ 1Mhz – 10Mhz và sóng âm được ứng dụng là sóng dọc có thể lan truyền trong môi trường của rắn - lỏng – khí Thiết bị tạo nên sóng

âm gọi là đầu dò siêu âm

Hình1.8: ảnh siêu âm vùng bụng của máy siêu âm

Sự phản hồi của sóng âm từ các cơ quan nội tạng trong cơ thể phụ thuộc vào :

- Tốc độ lan truyền của sóng âm trong môi trường

- Trở kháng âm của môi trường

- Sự hấp thụ của các cơ quan nội tạng

- Cấu trúc hình học của các cơ quan nội tạng

Đầu dò máy siêu âm thực hiện cả chức năng: phát và thu sóng siêu âm Khi phát đầu dò biến đổi các xung điện áp thành sóng siêu âm, sóng siêu âm

được phát ra dưới dạng chùm tia Để hội tụ chùm tia tại những độ sâu nhất

định người ta dùng những thấu kính âm thanh Khi thu, sóng siêu âm đập vào

đối tượng thăm khám nó sẽ dội ngược lại đầu dò và sẽ được đầu dò biến đổi thành điện áp Với những đầu dò có tần số cao thì độ phân giải sẽ cao và độ xuyên sâu của chùm tia sóng âm sẽ thấp Với những đầu dò có tần số thấp thì

độ phân giải sẽ thấp và độ xuyên sâu của chùm tia sóng âm sẽ cao Chính vì vậy, tuỳ vào chức năng thăm khám mà có thể chọn đầu dò thích hợp

1.2.3.2 ưu điểm và nhược điểm của máy siêu âm:

U

Ưu điểm của phương pháp tạo ảnh siêu âm :

- Siêu âm là phương pháp chẩn đoán không xâm nhập, nên tránh được nguồn bức xạ như máy X quang

- Không đòi hỏi tốn nhiều thời gian

- Hình ảnh tạo ra là hình ảnh tức thời Một số hình ảnh bệnh lý có thể nhận biết một cách trực tiếp ( sỏi mật, sự thay đổi kích thước và độ đồng nhất của một số cơ quan vốn đồng nhất như: gan, thận, mât, tuyến giáp, tuyến tuỵ, )

- Trong chẩn đoán tim mạch, những mạch máu lớn cũng có thể được hiển thị được bằng máy siêu âm thông dụng Hơn nữa với sự bổ xung của phương pháp Doppler chẩn đoán siêu âm đã đạt được những thành tựu lớn trong lĩnh vực chẩn đoán tim (kích thước, độ dày thành mạch, chức năng van, chuyển

động của mạch máu ), có thể đo được lưu tốc của dòng trong mạch máu và hiển thị hướng dòng chảy

- Máy gọn, nhẹ dễ cơ động có thể thăm khám tại giường bệnh

- Chi phí đầu tư và vận hành thấp

- Có thể kết hợp làm thủ thuật sinh thiết

Nhược điểm của phương pháp tạo ảnh siêu âm :

- Độ phân giải và độ nhạy thấp

- Chẩn đoán bằng siêu âm không thích hợp với các cấu trúc có chứa khí như phổi, dạ dày hoặc cấu trúc nằm ẩn trong xương như não

- Không có tín hiệu từ chất lỏng tĩnh

- Tín hiệu quá yếu từ các cơ quan nằm sâu hoặc đối với các bệnh nhân quá béo

- Có bóng của âm sau những vùng chứa khí

- Hiện tượng tán xạ sóng âm đôi khi dẫn đến kết quả sai lầm

1.3 Nhận xét:

Để bổ khuyết cho những hạn chế của máy X quang truyền thống, trong vài thập kỷ gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra hàng loạt thiết bị chẩn đoán hình ảnh mới như siêu âm, chụp cắt lớp máy tính, chụp cộng hưởng từ Những thiết bị này đang ngày càng được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên chúng cũng có những hạn chế, ví dụ như chi phí đầu tư thiết bị và chi phí cho một xét nghiệm bằng máy chụp cắt lớp điện toán cao hơn nhiều lần so với máy X quang truyền thống, vì vậy chúng chỉ bổ sung mà không loại trừ nhau Máy X quang đã và vẫn là một thiết bị chẩn đoán hình ảnh quan trọng trong y

tế Chính vì những ưu điểm của máy X quang thông thường mà việc ứng dụng

và phát triển dựa trên máy X quang là yêu cầu cũng như đòi hỏi mà ngành y tế

đã đặt ra

Máy chụp mạch dùng kỹ thuật Xoá nền ảnh chụp mạch số - DSA( Digital Subtraction Angiography) ra đời như một tất yếu.Việc nghiên cứu máy chụp mạch cũng như kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số sẽ được trình bày ở chương 2 của luận văn này

2.1.1 Giới thiệu máy chụp mạch :

Mạch máu là những cấu trúc nhỏ, nhằng nhịt, nếu chụp X quang thông thường thì rất khó phân biệt các tổ chức xung quanh Vì vậy cần có thiết bị chụp và phương pháp tạo ảnh đặc biệt Theo truyền thống, chụp mạch được sử dụng để chẩn đoán bệnh lý của các mạch máu như hẹp, tắc mạch máu… Máy chụp mạch thực chất là một hệ thống X quang số nhưng có thêm phần xử lý

ảnh với kỹ thuật xoá nền ảnh chup mạch số - DSA ( Digital Subtraction Angiography) để làm nổi rõ mạch máu Hình vẽ dưới đây (2.1) minh hoạ cho quá trình chụp mạch dùng kỹ thuật xoá nền

Hình 2.2: Minh hoạ cho kỹ thuật DSA[13]

Quá trình chụp mạch ứng dụng kỹ thuật xoá nền[15]:

- Tiêm thuốc cản quang vào mao mạch và khi thuốc cản quang bắt đầu lan truyền đến vùng mao mạch cần thăm khám thì chụp ảnh nền trong đó có hình ảnh của mao mạch cần quan tâm( Nhưng chưa ngấm thuốc cản quang)

- Khi nồng độ thuốc cản quang tại toàn bộ vùng mao mạch cần quan tâm

đạt mức tối đa, chụp tiếp ảnh cùng một khu vực như ảnh nền ( Với mao mạch

đã ngấm thuốc cản quang)

- Đem hai hình ảnh trừ đi nhau ta sẽ có ảnh đã xoá nền

Sự phát triển của các phương pháp chụp tĩnh mạch khác nhau[10]:

 Chụp tĩnh mạch: Một chất cản quang được tiêm vào trong mạch và việc chụp phim được tiến hành vào một thời điểm thích hợp sau khi tiêm Cấu trúc của mạch cùng với cấu trúc xương và các phần mềm sẽ được nhìn rõ hơn nhờ

sự tương phản

 Chụp tĩnh mạch tách phim có các tính năng khác biệt được tạo ra, xương và phần mềm được tách riêng bằng một phim che Phương pháp này liên quan đến việc thay đổi các phim như AOT và phim Puck Việc chụp phim

Bóng

X quang

Bộ

DETECTER

sẽ diễn ra trước khi xuất hiện hình ảnh tương phản, sau một loạt hình chụp phim tương phản của cùng một vùng trên cơ thể Người chụp phim và các kỹ thuật viên trong buồng tối phải bỏ ra nhiều giờ đồng hồ để tách hình ảnh ở phim và tạo lại hình ảnh trên phim tách ra để có được hình ảnh tách riêng

 Chụp mạch kỹ thuật số (DSA): do có máy vi tính, hình ảnh tĩnh mạch

được chụp bằng kỹ thuật số và việc chụp tĩnh mạch tách kỹ thuật số đã trở thành phương pháp chuẩn để nghiên cứu cấu trúc mạch máu Tuy nhiên cần có nhiều yếu tố khác nữa để có thể để có thể hiển thị những nhánh của mạch máu não

 Chụp tĩnh mạch quay: phương pháp dùng kỹ thuật cánh tay chữ C, để chụp những ảnh ở các góc khác nhau với tốc độ cao

 Chụp tĩnh mạch quay kỹ thuật số - phương pháp này xuất hiện cùng với những máy tính mạnh hơn

 Chụp tĩnh mạch quay kỹ thuật số 3D - phần mềm được phát triển để xử

lý số liệu hình ảnh chụp bằng phương pháp chụp tĩnh mạch quay kỹ thuật số

và tái tạo bằng phương pháp 3D Hình ảnh 3D có thể quay ở bất cứ góc độ nào, bao gồm cả những góc không nhìn được từ vị trí bệnh nhân và cho thấy mối quan hệ giữa các mạch máu và các cấu trúc

Với hệ thống tăng sáng truyền hình vào những năm cuối 70 đã có thể chụp được ảnh tắc nghẽn mạch máu nhưng chỉ nhát một mà không liên tục

Đầu thập kỷ 90, các loại máy chụp mạch ra đời với những ưu điểm vượt trội trong việc phát hiện, chẩn đoán và điều trị các bệnh về mạch máu Hiện nay các loại máy chụp mạch còn kết hợp với máy chụp cắt lớp điện toán, máy cộng hưởng từ để khắc phục nhược điểm của nhau Trước đây, hợp chất của Iốt được sử dụng để làm chất cản quang Ngày nay, nhiều tác nhân cản quang

được thay thế với nồng độ Iốt thấp hơn hoặc có loại đặc biệt không có Iốt để không ảnh hưởng đến bệnh nhân đái tháo đường và thận hư

Sau đây là một số thủ thuật cơ bản đang ứng dụng trên máy chụp mạch :

- Nong động mạch vành, mạch ngoại biên

- Nong van tim( Van hai lá, van động mạch phổi)

- Đóng ống động mạch vành bằng Umbrella

- Đóng lỗ thông liên nhĩ bằng Umbrella

- Đóng ống động mạch và lỗ thông liên nhĩ bằng coil nếu lỗ thông nhỏ

- Nút động mạch gan và nút u xơ tử cung để điều trị u gan và u xơ tử cung( Chặn tất cả các mạch máu nuôi tế bào u)

- Đổ xi măng cột sống

- Điều trị loạn nhịp cùng với các thiết bị khác như máy mapping buồng tim

- Điều trị chảy máu cấp bằng coil hoặc các hạt gây tắc lại

Việc điều trị có thể can thiệp qua ống thông Đây là biện pháp không phải mổ xẻ, vừa làm giảm triệu chứng vừa giải quyết được nguy cơ gây tắc mạch

2.1.2 Các loại thiết bị chụp mạch khác có sử dụng kỹ thuật xoá nền ảnh số:

2.1.2.1 Chụp mạch cắt lớp điện toán ( Computed Tomography Angiography - CTA)[16]:

Đây là phép thăm dò sử dụng tia X xem xét dòng chảy của máu trong

động mạch trên toàn bộ cơ thể người, từ các động mạch nuôi não cho tới các

động mạch mang máu tới phổi, thận, tay, chân Chùm tia X đi từ một thiết bị quay quanh vùng cần thăm khám trên bệnh nhân từ vài góc độ khác nhau để tạo ra hình ảnh mặt cắt, những hình ảnh này sau đó có thể được máy tính thu thập để tạo ra ảnh 3 chiều về vùng cần nghiên cứu( Tuỳ vào cấu hình máy)

So sánh với chụp mạch dùng ống thông( Bao gồm cả việc bơm thuốc cản quang vào động mạch) thì chụp mạch cắt lớp điện toán là phương pháp ít can thiệp hơn và tiện lợi hơn cho bệnh nhân, chất cản quang thường được bơm vào tĩnh mạch nhiều hơn là động mạch Việc thử nghiệm này được dùng để kiểm

tra một số lượng lớn các động mạch bị bệnh Hầu hết các bệnh nhân làm chụp mạch cắt lớp điện toán mà không cần phải nằm viện

Các ứng dụng chính của CTA[16] :

- Kiểm tra động mạch phổi để có biện pháp chế ngự việc tắc động mạch phổi, một căn bệnh nghiêm trọng nhưng có thể chữa trị được

- Quan sát dòng máu động mạch thận đến nuôi thận ở những bệnh nhân

có chứng tăng huyết áp và nghi rối loạn chức năng thận Chứng hẹp động mạch thận là nguyên nhân của huyết áp cao ở một số bệnh nhân, và có thể phải chỉ định mổ Một công thức tính toán đặc biệt của việc hiển thị ảnh đã làm cho việc chụp mạch thận cắt lớp điện toán trở thành một phương thức kiểm tra rất chính xác Nó cũng thực hiện với những người sắp cho thận

- Nhận biết các bệnh xơ vữa động mạch, phình động mạch hoặc tắc nghẽn làm phân đoạn các động mạch chính của cơ thể( Động mạch chủ và các nhánh chính của nó, động mạch xương chậu)

- Tìm ra các chỗ xơ vữa làm hẹp động mạch chân

CTA cũng được sử dụng để tìm ra chỗ hẹp hoặc tắc nghẽn của các động mạch trong khung chậu và trong động mạch cảnh ( Đường dẫn máu từ tim đến não) Khi một Stent được đặt vào để khôi phục dòng chảy của máu trong động mạch bị bệnh thì CTA sẽ chỉ ra kết quả của nó như thế nào Việc kiểm tra

động mạch não có thể giúp đạt tới việc chẩn đoán đúng cho các bệnh nhân bị

đau đầu, chóng mặt Nếu bệnh nhân có nhiều động mạch bị bệnh thì cần thiết phải bơm thuốc cảm quang để quan sát Đối với bệnh nhân bị u thì việc này cũng giúp cho các bác sĩ biết rõ về các động mạch đi nuôi khối u đó

Những ưu điểm của CTA :

- CTA có thể được sử dụng để kiểm tra mạch máu trong nhiều vùng trên cơ thể bao gồm cả não, thận, khung chậu và các động mạch nuôi phổi Nó cũng có thể tìm ra chỗ hẹp của động mạch để kịp thời tiến hành điều trị nếu

cần Phương pháp này cho biết chi tiết về giải phẫu bệnh mạch máu chính xác hơn nhiều ảnh cộng hưởng từ hoặc siêu âm

- CTA là một phương pháp rất hữu dụng để quan sát bệnh động mạch, bởi vì nó an toàn hơn và ít tốn thời gian hơn để chụp mạch dùng ống thông và

là phương pháp rất có hiệu quả Nó cũng ít bất tiện hơn vì chất cản quang

được bơm vào tĩnh mạch tay chứ không cần bơm vào tĩnh mạch lớn hơn ở bẹn Những rủi ro có thể xảy ra đối với bệnh nhân chụp CTA :

- Sẽ rất nguy hiểm đối với bệnh nhân nếu cơ thể bệnh nhân dị ứng với thuốc cản quang chứa iôt được bơm vào cơ thể

Những hạn chế của CTA :

- ảnh CTA của mạch máu tại bất kỳ nơi nào trong cơ thể bị mờ đi nếu di chuyển trong quá trình chụp hoặc nếu tim hoạt động không bình thường Sự tắc mạch máu cũng có thể làm cho ảnh không được sáng rõ CTA vẫn chưa thể mô tả rõ nét các động mạch nhỏ xoắn hoặc các mạch máu trong các cơ quan chuyển động nhanh

2.1.2.2 Chụp mạch cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Angiography MRA)[17]:

Đây là phương thức tạo ảnh cực kỳ chi tiết các mô và các cơ quan trong cơ thể mà không cần dùng tia X MRA cung cấp hình ảnh chi tiết về các mạch máu mà không cần sử dụng bất kỳ thuốc cản quang nào, mặc dù ngày nay người ta vẫn dùng một loại thuốc cản từ đặc biệt để làm ảnh cộng hưởng từ rõ nét hơn Phương pháp này ít gây đau đớn cho bệnh nhân và hiện nay vẫn chưa phát hiện thấy nguy hiểm cho mô hay bất cứ cơ quan nào

Những ứng dụng phổ biến của phương pháp này:

- Hiện nay rất nhiều bệnh nhân tổn thương về động mạch và được điều trị

ở khoa X quang hơn là làm phẫu thuật trong các phòng mổ MRA là một cách rất có ích để tìm ra các vấn đề trong mạch máu và quyết định biện pháp tốt nhất để chữa trị nó

- Động mạch cảnh ở cổ, nơi dẫn máu tới nuôi não, là vị trí hay gặp bệnh xơ vữa động mạch, có thể bị hẹp hoặc tắc làm giảm lượng máu tới não và thậm chí có thể gây đột quỵ Nếu xét nghiệm bằng siêu âm chỉ ra rằng có bệnh như trên thì rất nhiều các nhà phẫu thuật sẽ làm các phẫu thuật cần thiết sau khi xác định bằng MRA, không cần phải chụp mạch bằng ống thông

- MRA được sử dụng rộng rãi để kiểm tra động mạch não các bệnh nhân

- MRA cũng được sử dụng để phát hiện bệnh trong động mạch chủ và trong các mạch máu nuôi thận, phổi

Các ưu điểm của MRA :

- Các ảnh chi tiết về mạch máu và dòng chảy thu được mà không cần phải đưa ống thông trực tiếp vào vùng cần thăm khám, do đó không gây tổn thương cho động mạch

- MRA ít đắt tiền hơn chụp mạch dùng ống thông

- Không cần chụp tia X trong quá trình tạo ảnh công hưởng từ Thuốc cản

từ cũng có thể được bơm vào mạch nhưng không giống như chụp mạch dùng ống thông hoặc CTA, các phương pháp dùng thuốc cản quang cơ bản là iôt, mức độ rủi ro do phản ứng phụ trong quá trình chụp MRA là rất thấp và không gây nguy hại cho thận vì không phải lọc chất độc Thậm chí với việc không dùng thuốc cản từ, MRA vẫn có thể tạo ra được ảnh mạch máu với chất lượng cao, điều đó rất có ích đối với bệnh nhân dễ bị dị ứng với thuốc

Những rủi ro có thể xảy ra đối với các bệnh nhân :

- Không có các hiệu ứng phụ xác định đối với bất kỳ loại MRI nào cả kể cả chụp mạch cộng hưởng từ Nếu có một ống kim loại trong bệnh nhân mà không biết thì nó có thể bị nhiễm từ trường do bệnh nhân được đặt trong từ trường cực mạnh để chụp Thêm vào đó, nếu ống kim loại gần với vùng cần thăm khám thì nó có thể làm ảnh có chất lượng không cao Đối với phụ nữ mang thai 3 tháng đầu nói chung không nên chụp MRI ở trường hợp này họ

nên làm siêu âm trừ trường hợp tình trạng của họ quá nghiêm trọng mà MRA

là phương pháp phát hiện tốt nhất

Các hạn chế của MRA :

- MRA không chụp được ảnh xương như là CTA Các bệnh nhân có gắn vật kích thích thần kinh, gắn kim loại hoặc đặt vật thể kim loại trong người thì không nên chụp MRA Độ rõ nét của MRA không như ảnh chụp mạch truyền thống Hơn nữa, ảnh thu được trong MRA chậm hơn ảnh chụp mạch ống thông Đôi lúc khó khăn trong việc tách ảnh động mạch khỏi tính mạch

2.2 Tìm hiểu kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số DSA:

2.2.1 Phép trừ ảnh[9,17]:

Trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền DSA thu được 2 ảnh ảnh thứ nhất được gọi là ảnh mặt nạ (mark), ảnh này nhận được trước khi có môi trường tương phản là chất cản quang được tiêm vào bệnh nhân ảnh thứ 2 là

ảnh cản quang, ảnh nhận được sau khi có môi trường tương phản là chất cản quang được tiêm vào cơ thể để nhận được ảnh khi đạt được độ tương phản của mạch máu từ ảnh[9]

ảnh mặt nạ và ảnh cản quang có mô hình toán học được thừa nhận đó là bệnh nhân có bề dày xR t R, có hệ số suy giảm là àR t R, cường độ photon nguồn là IR 0 R

trước khi có môi trường tương phản là chất cản quang được tiêm vào cơ thể bệnh nhân Cường độ photon phát ra từ bệnh nhân đến bộ khuyếch đại ảnh là:

R

m I e

I = 0 à R(2.1) Sau đó thuốc cản quang được tiêm vào động mạch Nếu động mạch có bề dầy là xR i R( với xR i R<<xt) và độ suy giảm tuyến tính là ài, khối tăng sáng sẽ nhận

được cường độ sáng là:

I I = I0e−(àI x I+àx t) (2.2)

Nếu α là hằng số chuyển đổi liên quan đến biên độ của tín hiệu video để photon ánh sáng nhận bởi khối tăng sáng ảnh, tín hiệu ảnh mặt nạ và ảnh cản quang tạo ra bởi camera là:

I m =αI0e−àx t ( 2.3)

I I =αI0e−(àI x I+àt x t) (2.4)

Chúng ta sử dụng phương trình 2.3 và 2.4 để giải thích sự khác nhau giữa phép trừ các ảnh không có biến đổi logarit( phép trừ tuyến tính) và phép trừ

ảnh sau khi biến đổi logarit ( phép trừ logarit)

2.2.2 Phép trừ tuyến tính ( Linear Subtraction):

Một vài nhà nghiên cứu về công nghệ xoá nền sử dụng thuật toán trừ tuyến tính để cách ly tín hiệu cản quang Trong phép trừ tuyến tính, ảnh cản quang bị trừ từ ảnh mặt nạ mà không có biến đổi logarit

Nếu SLin là phép trừ ảnh, khi đó phép trừ tuyến tính nhận được kết quả có dạng[9]:

0

I m

S =α(à ) 0 −à (2.6) Các biểu thức trên, được sử dụng trong xử lý ảnh tuyến tính, khi coi bề dày của chất iot là xI và bề dày của bệnh nhân là xt Để nhận được các ảnh trong xử lý tuyến tính thì phải giữ bệnh nhân ở trạng thái tĩnh lặng và phải

đưa thêm các chất cản quang không mong muốn vào động mạch

2.2.3.Phép trừ loga:

So với trừ ảnh tuyến tính thì trừ ảnh loga không phải giữ bệnh nhân ở trạng thái tĩnh, khi thay đổi cơ thể có thể làm mờ ảnh hoặc làm nhỏ tín hiệu cản quang Dữ liệu ảnh mặt nạ và ảnh cản quang được trừ sau khi được số hoá

và được biến đổi loga

Toán học trừ ảnh loga Slog có[9]:

SLog = ln (Im) - ln (II) = [-àtXt] - [-àtXt-àIXI] = àIXI (2.7)

Cho nên kết quả tín hiệu trừ loga có liên quan đến tín hiệu iốt và tín hiệu không chân thực về bề dày bệnh nhân hoặc cấu trúc tĩnh của đối tượng khi trong mạch có chất cản quang

Chương III:U

Nghiên cứu và tìm hiểu các giải pháp cải thiện ảnh chụp mạch số trong máy chụp mạch 3.1 Một số vấn đề cải thiện ảnh trong máy chụp mạch ứng dụng kỹ thuật xoá nền ảnh chụp mạch số:

3.1.1 Giải pháp không gian phân giải trong chụp mạch bằng phương pháp

Có một vài thừa số liên quan đến khoảng phân giải trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền ảnh chụp mạch số Thứ nhất đó là khổ ma trận số (512x512 hoặc 1024x1024) được sử dụng để thu nhận dữ liệu ảnh Thứ 2 là khoảng phân giải ảnh được thu nhận cùng với việc khuyếch đại ảnh Thứ 3 đó

là độ lớn của góc tù được bắt đầu từ điểm giới hạn trung tâm của ống tia X, tại

đó cơ bản đã cân đối giữa sự tăng lên về chi tiết đối tượng điều đó có thể nhận

được nhờ việc phóng đại ảnh và làm mất đi chi tiết của đối tượng nhờ góc tù

Sự biểu hiện của việc tăng thêm chi tiết của đối tượng cùng với sự phóng đại lớn nhất nhờ việc bố trí trước khoảng phân giải trong bộ khuyếch đại ảnh và

Trong chụp ảnh bằng phương pháp xoá nền có: định lượng mật độ nhiễu

σq, nhiễu điện σe và nhiễu số hoá lượng tử σ∆ góp phần tạo nên nhiễu hệ thống, và nếu chúng ta thiết kế ra một hệ thống chụp mạch bằng phương pháp

xoá nền phù hợp, thì lượng tử hoá nhiễu là không đáng kể Một cách tóm tắt, nếu tín hiệu chụp X quang bao gồm N các photon khi đó tham số (độ lệch chuẩn) của tín hiệu là N , từ đó photon tạo ra và hệ số suy giảm được tính theo thống kê Poisson Giả sử rằng camera đưa ra một giá trị điện áp lớn nhất

là Vmax tại Nmax số photon, tín hiệu điện áp video VN tương ứng với N photon này được đưa ra bởi quan hệ theo tỷ lệ:

max max N

N V

max σ

Nhiễu điện tử góp phần tạo nên đặc trưng tín hiệu video camera được mô tả với thuật ngữ của camera đó là "Dải động", được định nghĩa là tỷ số của tín hiệu điện áp lớn nhất Vmax được tách ra bởi độ lệch chuẩn (σe) của tín hiệu video Nếu D là dải động một tín hiệu video camera, khi đó độ lệch chuẩn σe

của nhiễu điện từ camera được cho bởi:

và được chuyển đổi thành giá trị àI bởi bộ chuyển đổi tương tự - số khi đó sự thay đổi độ sai số lượng tử là:

3.1.3 Nhiễu hệ thống trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền:

Nhiễu hệ thống khác nhau trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền

được thu nhận bằng cách thêm nhiễu khác từ mỗi phần tử của hệ thống Coi các nhiễu là độc lập Trong tính toán, ta giả sử hệ thống ảnh gồm có một camera truyền hình quan sát tín hiệu photpho đầu ra của bộ khuyếch đại ảnh

và sai số lượng tử hoá được gây ra bởi bộ chuyển đổi tương tự - số là không

đáng kể

Đầu ra camera bao gồm thành phần Vq tương ứng với độ phát xạ đưa vào photpho và thêm số hạng thay đổi theo thời gian Ve được sinh ra từ "dark current" ( Dòng tối) của hệ thống[9]:

v σ σ

σ = + (3.6) (3.6) cho ta thấy các thành phần từ bộ "Video Dark Current" σe [9]và nguồn lượng tử thống kê σq được cộng vào phép cầu phương và đưa ra tổng số nhiễu σv trong hệ thống video

Thay các biểu thức nhận được từ trên vào (3.6) chúng ta nhận được nhiễu của tín hiệu video có quan hệ với số lượng các photon (N), số lượng các photon cho mỗi điểm ảnh, độ rộng (D) của tín hiệu video camera, mức tín hiệu video lớn nhất (Vmax) và số lượng photon lớn nhất (Nmax) tương ứng với mức tín hiệu video lớn nhất:

2 max 2

max

max 2







 +

2 2

max

max

2

2 max 2

max

2

D N

N V V

D

V N N V

V V

SNR

+

= +

N V

V

= (3.9) Chúng ta thấy tỷ số tín hiệu - nhiễu có quan hệ với số lượng các photon

N làm ảnh hưởng tới tín hiệu vào photpho của bộ khuyếch đại ảnh (Nếu hấp thụ 100% được):

2

2 max 2

2 max

max 1

D

N N

N D

N N N

N SNR

+

= +

3.1.4 Các phương pháp cải thiện đặc tính nhiễu:

3.1.4.1 Việc di chuyển của các điểm sáng[9]:

Nếu như ảnh không nhận được cùng với số các photon lớn nhất Nmax

điều này chắc chắn phương pháp chụp X quang số nhận được cùng với các hệ thống khuyếch đại ảnh sẽ bị giới hạn chủ yếu bởi nhiễu điện Điều này là chưa

rõ ràng cho nên trong nhiều trường hợp chúng ta phải đưa vào trạng thái không mong muốn, khi đó trường ảnh gồm các vùng có độ phát tia X lớn

Điều này có thể làm nảy sinh ở phần rìa của bệnh nhân hoặc trong các vùng cơ thể có không khí (Phổi hoặc khí trong ruột), các vùng có độ phát xạ tia X lớn nhận được ảnh ở mức tín hiệu video có trị số cực đại sát ngay các vùng có

độ phát xạ tia X thấp nhận được ảnh ở mức tín hiệu video thấp ở đó dữ liệu bị tổn hao bởi nhiễu điện Một kỹ thuật phổ biến để giảm bớt tổn hao này là đặt các túi nước muối lên trên các chấm sáng hoặc đặt miếng nhôm tại chùm tia X

đi qua để giảm độ phát xạ tia X tới các vùng ở bệnh nhân Mô hình lý tưởng nhất, đầu vào trường phát xạ được biến đổi để nó phát ra một trường phát xạ

không đồng nhất đến cơ thể bệnh nhân cho nên trường phát xạ bộ khuyếch đại

ảnh là đồng nhất Trong trường hợp này, tất cả các vùng của bệnh nhân được

ảnh có mức tín hiệu - nhiễu lớn nhất, khi đó có thể thu được mức tín hiệu - nhiễu cao nhất trong tất cả các vùng của ảnh

3.1.4.2 Vai trò của độ mở video camera[9]:

Một phương pháp khác để cải thiện tỷ số tín hiệu - nhiễu trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền là tăng cường độ phát xạ tia X tới bệnh nhân, giảm bớt thành phần nhiễu từ các nguồn định lượng thống kê Tuy nhiên, một mức sáng đặc trưng được phát tới bia camera sẽ cho ra một tín hiệu phản xạ video lớn nhất Sự phát xạ tia X không được tăng lên một cách vô hạn mà không cần điều chỉnh các thành phần khác trong hệ thống điều này đảm bảo không vượt quá mức sáng lớn nhất Độ mở video camera có vai trò chủ yếu trong việc điều khiển mức định lượng nhiễu trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền Bởi vì độ mở nằm ở vị trí giữa đầu ra photon của bộ khuyếch

đại ảnh và đầu vào quang học của video camera, ngoài ra việc giảm đường kính độ mở dẫn đến giảm số lượng của tia sáng đi đến bia camera và làm giảm

đáp ứng của tín hiệu video nó cho một mức phát xạ tia X nhất định Do đó, mức phát xạ tia X phải được tăng lên khi đường kính độ mở giảm để duy trì một mức tín hiệu video không đổi Khi độ mở video camera được giảm số photon được sử dụng nhiều hơn để thu được ảnh tại "the quantum sink" (đầu vào photon của bộ khuyếch đại ảnh) cho nên toàn bộ tỷ số tín hiệu - nhiễu của tín hiệu video được tăng lên (giả sử điều chỉnh được độ phát xạ tia X để duy trì một tín hiệu video lớn nhất theo ảnh bệnh nhân) Điều này làm giảm mức

độ nhiễu định lượng thống kê và cải thiện toàn bộ đặc tính nhiễu của ảnh

Điều đó là quan trọng đến vai trò mức phát xạ tia X và độ mở của video camera Nếu mức phát xạ X được tăng lên mà không cần điều chỉnh độ mở, khi đó ánh sáng được làm tăng ở đầu ra của bộ khuếch đại ảnh có thể làm cho video camera vào trạng thái bão hoà, kết quả cho ra một tín hiệu yếu, tức là

được ổn định ở mức cực đại Tương tự , việc giảm độ mở camera, kết quả cho

ra một tín hiệu video nhỏ Thành phần định lượng nhiễu có cùng tỷ lệ với tín hiệu video, nhưng tỷ số tín hiệu - nhiễu của tín hiệu video sẽ được giảm đi một cách thích hợp để cố định mức nhiễu định trong hệ thống video Vì vậy, độ

mở camera phải được điều chỉnh để cung cấp một tín hiệu video gần mới mức lớn nhất để ngăn ngừa nhiễu điện và tín hiệu này tương ứng với vùng cần quan tâm trong cơ thể

3.1.4.3 Sự tích hợp ảnh[9,16]:

Một cách cuối cùng để cải thiện tỷ số tín hiệu - nhiễu hệ thống là phối hợp các xử lý khác nhau đó là sự gộp vào ("tích hợp") đồng thời hai ảnh trước hoặc sau phép trừ để đưa ra một mức trung bình của nhiễu trong các ảnh X quang số Một cách đơn giản nhất được thực hiện đó là sự tích hợp ảnh truyền hình ở đó có hai hoặc nhiều ảnh truyền hình được gộp đồng thời với nhau, để

cố gắng giảm các thành phần nhiễu định lượng thống kê và nhiễu điện trong

ảnh X quang số cuối cùng Nếu có M ảnh truyền hình được gộp đồng thời với nhau, ở đó tất cả các ảnh truyền hình gần như giống hệt nhau chúng cho phép loại ra nhiễu ngẫu nhiên, và nếu σ tượng trưng cho nhiễu trong mỗi ảnh, lúc nhiễu trong ảnh kết hợp được tăng lên bằng MP

1/2

P

σ khi tín hiệu tăng lên bằng

M Vì vậy, cải thiện được tỷ số tín hiệu - nhiễu bằng M1/2 sự tích hợp khung

ảnh truyền hình có lợi trong việc làm giảm tác động của nhiễu định lượng thống kê cũng như nhiễu điện Khi so sánh, sự tăng dần độ phát xạ tia X cho mỗi ảnh truyền hình làm tăng duy nhất sự tác động của nhiễu định lượng Tuy nhiên, sự tích hợp ảnh truyền hình thường không có lợi, ở đó có thể xảy ra nhiều chuyển động "Artifacts" không mong muốn, từ đó kéo dài thời gian tính toán để thu nhận một ảnh tích hợp

3.1.4.4 Lọc nhiễu nền[9]:

Vấn đề đầu tiên trong DSA đó là sự có mặt của nhiễu trong các ảnh trừ nền Điều này làm nảy sinh vấn đề đó là tín hiệu cản quang cần nghiên cứu

chỉ chiếm giữ một phần nhỏ trong toàn bộ tín hiệu video Mặt khác nó còn bị

ảnh hưởng bởi cấu trúc giải phẫu của bệnh nhân Trong thực tiễn lâm sàng, thì

tỷ số tín hiệu - nhiễu của ảnh trừ nền bị yếu đi bởi các điểm chói hay hạn chế trong sự thực hiện của video camera Điều này cần được tính toán và giải quyết, do đó trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền, công tác chẩn đoán

sẽ hạn chế được nhiễu bằng phương pháp tăng tỷ số tín hiệu - nhiễu với các

ảnh trừ nền

U

+ Một vài phương pháp cải thiện tỷ số tín hiệu – nhiễu:

- Phương pháp thứ nhất sử dụng bộ khuyếch đại ảnh cùng với detector có hiệu quả cao nhất, một video camera với nhiễu điện thấp nhất có thể và một bộ chuyển đổi tương tự - số với một số thích hợp của các mức mà ở đó không

đưa vào các sai số lượng tử hoá vào trong dữ liệu ảnh

- Phương pháp thứ 2 sử dụng "Blousing" để các điểm chói không làm ảnh hưởng đến tín hiệu ảnh cản quang ở gần các vùng tối

- Phương pháp thứ 3 điều chỉnh một cách thích hợp độ mở camera để nhận được các ảnh cùng với một tín hiệu video lớn nhất nhưng chỉ với một bức xạ phù hợp nhỏ nhất vào đối tượng

- Phương pháp cuối cùng đó là "Bộ khuyếch đại ảnh", nó nhân các tín hiệu ảnh bao gồm tín hiệu ảnh cản quang được thêm vào (tính trung bình) hay giảm đi tác động của nhiễu ngẫu nhiên (nhiễu này từ 2 nguồn là nhiễu điện và nhiễu định lượng thống kê) để bảo vệ tín hiệu ảnh cản quang Mục đích của các phương pháp trên nhằm giải quyết những vấn đề cơ bản của kỹ thuật xoá nền được sử dụng trong chụp mạch bằng phương pháp xoá nền DSA

3.2 Sự điều chỉnh cử động phía sau trong kỹ thuật xoá nền DSA:

3.2.1 Giới thiệu chung:

Trong suốt hai thập niên vừa qua, DSA đã trở thành một phương thức rất thích hợp cho việc hiển thị các mạch máu trong cơ thể con người Với kỹ thuật này, một chuỗi các hình ảnh chiếu tia X kỹ thuật số hai chiều đã đạt được nhằm

cho thấy sự di chuyển của chất liệu cản quang được tiêm qua các mạch máu cần nghiên cứu

Hiển nhiên là trong các hình ảnh trừ thu được, các cấu trúc nền sẽ hoàn toàn bị loại bỏ chỉ trong các tình huống mà ở trong đó các cấu trúc này được cân bằng chính xác và có sự phân bổ mức độ xám tương đương Các đánh giá lâm sàng đối với DSA theo sự giới thiệu của nó vào những năm 1980 đã cho thấy rằng đây là trường hợp xảy ra thường xuyên và ảnh hưởng lớn đến chức năng chẩn đoán[8] Các hình ảnh thu được tại các thời điểm khác nhau sẽ luôn khác nhau về một vài khía cạnh do sự dao động về nguồn điện của tia X, hoặc

do nhiễu trong thiết bị tăng cường hình ảnh và chuỗi hình ảnh sau đó Tuy nhiên, lý do chính của sự khác biệt là cử động của bệnh nhân Trong các tài liệu về hình ảnh DSA, ta có thể tìm thấy nhiều ví dụ về các trường hợp trong

đó các chi tiết ảnh do cử động của bệnh nhân gây ra đã làm giảm chất lượng của các hình ảnh trong chừng mực mà chúng trở nên vô dụng về mặt chẩn

sẽ rất có ích và thuận lợi khi đưa ra một sự tổng kết về các kỹ thuật này và các

đánh giá được đưa ra từ trước đến nay và về các kết luận có thể rút ra từ đó Mục đích của phần này là nhằm đưa ra một sự tổng kết như vậy

3.2.2 Mạch cử động và các giải pháp có thể:

Trước khi đi vào chi tiết về việc điều chỉnh cử động phía sau trước hết sẽ

đưa ra các loại mạch cử động có thể gặp phải, tôi cũng sẽ tóm tắt các kỹ thuật

đã được đề xuất để tránh các mạch cử động và so sánh các kỹ thuật đó