Thiết kế và xây dựng bộ phần mềm xử lý ảnh y sinh

Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Y sinh 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Khảo sát các phương thức tạo ảnh và đặc điểm c

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Huỳnh Quang Linh

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lý Anh Tú

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS BS Trần Công Toại

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,

Ngày 12 tháng 9 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 01 tháng 09 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN DUY LINH Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15-12-1984 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Y sinh

1- TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH Y SINH

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Khảo sát các phương thức tạo ảnh và đặc điểm của các loại ảnh y sinh (bao gồm các loại hình ảnh chẩn đoán y khoa và hình ảnh sinh học)

- Tìm hiểu các định dạng ảnh và chuẩn ảnh y khoa

- Khảo sát tổng quan lý thuyết xử lý ảnh và chọn lựa giải thuật phù hợp dùng cho việc xử lý ảnh y sinh

- Xây dựng một bộ phần mềm mã nguồn mở có khả năng xử lý đa năng, cụ thể là: tăng cường ảnh, phân vùng ảnh, hợp nhất ảnh và tái tạo ảnh 3D

- Đề ra các quy trình xử lý cho từng loại ảnh và minh hoạ bằng các ứng dụng thực tế

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-09-2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03-07-2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Huỳnh Quang Linh

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Linh, người luôn tận tâm hướng dẫn, cung cấp kiến thức và động viên tôi trong suốt quá trình học tập, làm việc, cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh trong suốt 2 năm qua đã truyền đạt kiến thức chuyên ngành, làm nền tảng cho tôi hoàn thành đề tài

Tôi cũng xin gửi những lời cảm ơn và những lời chúc tốt đẹp nhất đến tập thể các anh chị, các bạn học viên cao học đã từng học chung với tôi trong những năm qua

Đặc biệt tôi xin gởi lời tri ân đến gia đình, là những người luôn cận kề, động viên và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Trần Duy Linh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cùng với với sự phát triển không ngừng của các thiết bị chẩn đoán hình ảnh y khoa, phần mềm xử lý ảnh đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong việc hỗ trợ các bác sĩ trong công tác chẩn đoán Từ những tính năng cơ bản của phần mềm như tăng cường độ tương phản ảnh, lọc nhiễu, làm rõ ảnh cho đến các tính năng cao cấp như phân vùng ảnh, hợp nhất các ảnh với nhau, hay tái tạo 3D… tất cả đều có chung mục đích là cung cấp cho các bác sĩ cái nhìn rõ ràng nhất và nhiều thông tin nhất về tình trạng bệnh lý của bệnh nhân, giúp họ đưa ra các chẩn đoán chính xác Nắm bắt được tầm quan trọng đó, trong luận văn này tác giả đã tiến hành nghiên cứu đặc điểm các loại ảnh y sinh và giải thuật để xử lý chúng nhằm xây dựng nên một

bộ phần mềm tích hợp các chức năng xử lý ảnh nói trên Bộ phần mềm đóng vai trò như một công cụ xử lý đa năng phục vụ công tác đào tạo trong lĩnh vực xử lý hình ảnh y sinh và là công cụ linh hoạt để chẩn đoán hình ảnh trong cận lâm sàng

ABSTRACT

Along with the rapid development of diagnostic imaging equipment, software for biomedical image processing has played an important role in helping doctors to reach accurate diagnoses Featuring from basic functions such as contrast enhancement, noise removal, image sharpening to advanced functions such as image segmentation, registration, 3D visualization, they all have the same purpose in providing a useful tool for medical personnel to look into a living body with sufficient information in order to diagnose many types of diseases, injuries and conditions Grasping the importance of that, we have studied characteristics of various biomedical image types and processing algorithms to build a software package which is integrated all the above functions This software package is a multipurpose tool to facilitate and enhance either practice training of biomedical image processing or flexible manipulation

in paraclinical practice of medical image diagnosis

MỤC LỤC

Đề mục Trang

Thông tin luận văn 1

Nhiệm vụ luận văn 2

Lời cảm ơn 3

Tóm tắt 4

Mục lục 5

PHẦN 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 8

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 11

PHẦN 2: TỔNG QUAN 12

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ LOẠI ẢNH VÀ CHUẨN ẢNH Y TẾ 1 Ảnh X-quang ……… 12

2 Ảnh chụp mạch máu kỹ thuật số (DSA) 15

3 Ảnh cắt lớp điện toán (CT) ……… 16

4 Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) … 19

5 Ảnh siêu âm 22

6 Ảnh cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon (SPECT) 26

7 Ảnh cắt lớp phát xạ positron (PET) 28

8 Ảnh vi thể 30

9 So sánh đặc điểm các loại ảnh 31

10 Chuẩn ảnh y tế DICOM 31

11 Một số định dạng ảnh khác 34

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ ẢNH Y TẾ 36

1 Tăng cường ảnh 37

1.1 Giải thuật khử nhiễu 37

1.2 Giải thuật làm rõ ảnh 41

1.3 Giải thuật điều chỉnh cường độ sáng 45

2.3 Đường phân nước 54

2.4 Các thuật toán dựa trên cạnh 55

3 Hợp nhất ảnh………… 55

3.1 Dựa trên các điểm mốc 57

3.2 Dựa trên cường độ 60

3.3 Dựa trên các cấu trúc đã được phân tách 62

3.4 Hợp nhất hai ảnh khác loại 62

3.5 Hợp nhất hai ảnh khác thời điểm chụp 63

4 Tái tạo ảnh 3 chiều ………… 64

4.1 Sắp xếp dữ liệu 64

4.2 Biểu diễn khối dữ liệu 65

PHẦN 3: KẾT QUẢ & THỰC HÀNH 68

CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 68

1 Module tăng cường ảnh ……… 69

2 Module phân vùng ảnh 72

3 Module hợp nhất ảnh……… 74

4 Module tái tạo ảnh 3 chiều … 77

CHƯƠNG 2 TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT 81

1 Tăng cường ảnh 81

1.1 Điều chỉnh cường độ sáng 81

1.2 Thay đổi kích thước hình dạng 84

1.3 Lọc nhiễu - làm rõ ảnh 85

2 Phân vùng ảnh………… 86

2.1 Đặt ngưỡng 86

2.2 Hạt giống 86

2.3 Đếm số lượng 87

2.4 Phần vùng ảnh màu 88

2.5 Phần vùng ảnh siêu âm Doppler 89

3 Hợp nhất ảnh………… 93

3.1 Ghép ảnh 93

3.2 Trừ ảnh 94

3.3 Hợp nhất bằng tay 94

3.5 Hợp nhất tự động 96

4 Tái tạo ảnh 3 chiều ………… 99

4.1 Nội suy thêm ảnh 99

4.2 Biểu diễn MPR 100

4.3 Biểu diễn bề mặt SR 100

4.4 Biểu diễn khối cắt 101

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH XỬ LÝ TỪNG LOẠI ẢNH 102

1 Ảnh X-quang ………… 102

2 Ảnh DSA 103

3 Ảnh CT / MRI……… 104

4 Ảnh SPECT / PET … 105

5 Ảnh siêu âm 106

6 Ảnh vi thể……… 107

CHƯƠNG 4 MỘT VÀI VÍ DỤ THỰC TẾ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 108

1 Ví dụ 1 ………… 108

2 Ví dụ 2 110

3 Ví dụ 3 ……… 112

4 Ví dụ 4 … 115

5 Ví dụ 5 116

6 Ví dụ 6 ……… 120

7 Ví dụ 7 ……… 123

8 Ví dụ 8 ……… 126

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH 128

1 Yêu cầu phần cứng ………… 128

2 Hiệu quả sử dụng 128

3 Ưu và nhược điểm ……… 131

PHẦN 4: KẾT LUẬN 133

1 Kết quả đạt được ………… 133

2 Hướng phát triển 135

Tài liệu tham khảo 136

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Chương 1: Giới thiệu chung

Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào triệu chứng lâm sàng (thăm khám trực tiếp) và triệu chứng cận lâm sàng (xét nghiệm và chẩn đoán hình ảnh) Trong chẩn đoán cận lâm sàng, chẩn đoán hình ảnh đóng một vai trò rất quan trọng Trong những năm gần đây, các bệnh viện

cơ sở y tế tại Việt Nam được trang bị ngày càng nhiều các thiết bị chẩn đoán hình ảnh hiện đại Thế hệ các máy chụp X-quang truyền thống đang được dần thay thế bởi hệ thống chụp X-quang kỹ thuật số, chụp cắt lớp điện toán (CT) Bên cạnh đó, những thiết bị chụp ảnh khác như siêu âm, cộng hưởng từ (MRI), bị chụp cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon (SPECT), chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), chụp mạch máu kỹ thuật số (DSA) ngày càng trở nên quen thuộc

Các thiết bị này đã giúp các bác sĩ có thể dễ dàng “nhìn thấy” cấu trúc lẫn chức năng của các cơ quan bên trong cơ thể người bệnh mà không cần dùng kỹ thuật xâm lấn (phẫu thuật), và từ đó đưa ra các chẩn đoán một cách chính xác Chẳng hạn, đối với các bệnh lý ở sọ não, kỹ thuật chụp MRI giúp xác định rất tốt các khối u, vùng máu tụ nội sọ Kỹ thuật chụp

CT giúp phát hiện cấu trúc khác thường của buồng tim, van tim PET và SPECT có khả năng chẩn đoán về mặt chức năng cơ quan bị bệnh như ung thư vv…

Có một điều dễ nhận thấy là các thiết bị chẩn đoán hình ảnh ngày nay hoạt động dựa vào sự hỗ trợ đắc lực của máy tính Cụ thể các phần mềm máy tính có khả năng tái tạo, hiển thị, xử lý và phân tích ảnh Trong quá trình chụp, ảnh có thể bị nhiễu, mờ, hoặc sai lệch Nguyên nhân gây ra các hiện tượng này là do bệnh nhân di chuyển trong lúc chụp, các thông

số chụp không tối ưu (nguyên nhân chủ quan) hoặc do ảnh giả gây ra bởi phần cứng thiết bị,

do cấu trúc vùng chụp (nguyên nhân khách quan) Chính vì thế, phần mềm xử lý ảnh có vai

trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng ảnh chụp bằng các thuật toán loại nhiễu, làm cho ảnh rõ hơn, tăng cường độ tương phản cho ảnh Mặt khác, phần mềm còn giúp xử lý các thông tin trên ảnh để cung cấp số liệu về diện tích, thể tích, số lượng các vùng quan tâm

Chẳng hạn phần mềm sẽ xác định chính xác kích thước các tạng đặc trong ổ bụng (gan, lách, thận, tụy ), đánh giá thể tích các khối u bất thường nhằm đề ra phác đồ cho việc điều trị,

những thế, xu hướng trong việc chẩn đoán hình ảnh trong những năm gần đây là việc kết hợp nhiều phương thức chẩn đoán hình ảnh đã có, như kết hợp các ảnh CT-SPECT, MRI-

SPECT, MRI-CT Việc kết hợp này có thể thực hiện bằng phần mềm, hoặc thiết bị chụp kết hợp (máy SPECT-CT) nhưng sau đó cũng phải nhờ sự trợ giúp của phần mềm để hiệu chỉnh các sai lệch nhỏ giữa hai lần chụp [14] Nhiều bệnh lý đòi hỏi phải có thông tin về cấu trúc lẫn chức năng như: ung thư, các khối u ở não, bệnh Alzheimer, tâm thần phân liệt, khảo sát sự hoạt động của hệ thống tim mạch… Khi quan sát bằng CT hay MRI, các bác sĩ có thể gặp khó khăn trong việc xác định vị trí chính xác các mô ung thư do độ tương phản thấp của mô ung thư so với các mô xung quanh Với ảnh PET, bác sĩ có thể xác định rõ khối u nhưng lại khó xác định vị trí giải phẫu của chúng Do vậy, khi ghép 2 ảnh này lại với nhau sẽ giúp các bác sĩ

dễ dàng xác định được vị trí giải phẫu của khối u để đưa ra những phác đồ điều trị chính xác

Một vai trò khác của phần mềm là tái tạo ảnh 3D để cung cấp cái nhìn trực quan về các cơ

quan trong cơ thể người bệnh Các hình ảnh 3D sẽ giúp các bác sĩ dễ dàng hình dung được các cấu trúc phức tạp như hệ thống mạch máu, các buồng, van tim, ruột… Nội soi ảo là một ứng dụng tiên tiến dựa trên việc tái tảo ảnh 3D Thay vì với kỹ thuật thông thường phải dung ống nội soi đưa vào cơ thể gây đau đớn và khó chịu cho người bệnh, thiết bị chụp cắt lớp MSCT

64 lát cắt với sự hỗ trợ của phần mềm giúp tái tạo 3 chiều ống tiêu hóa, khí phế quản, các xoang…

Như vậy, trong một hệ thống chẩn đoán hình ảnh, ngoài phần cứng của thiết bị chụp, phần mềm xử lý ảnh có vai trò quan trọng quyết định kết quả chẩn đoán Tính chính xác và tốc độ xử lý của phần mềm phụ thuộc vào giải thuật mà nó sử dụng Các thuật toán cùng giải

quyết một công việc (cùng chạy với một tập dữ liệu ban đầu) được so sánh về độ chính xác của kết quả đạt được (so sánh với bộ dữ liệu chuẩn – ground truth) & thời gian thực hiện

(trung bình của nhiều lần chạy) Độ chính xác có thể được xây dựng dựa trên một số tiêu chí của thuật toán Từ đó có thể đánh giá hay nhận xét được một thuật toán nên áp dụng trong trường hợp dữ liệu nào Thời gian thực hiện được tính dễ dàng dựa vào thời gian tính được ngay trước và sau khi thuật toán được thực thi, nhằm đảm bảo không có một tiến trình nào khác can thiệp vào quá trình thực thi của thuật toán chính

phần mềm bán kèm theo thiết bị của các hãng lớn Siemens, Hitachi, Toshiba, GE có thể kể ra như Syngo, AVIA, Voxar, Volumetrix Các phần mềm này có đặc điểm là chỉ gài được vào hệ thống của chính hãng chế tạo chứ không thể cài đặt riêng biệt trên một máy tính cá nhân

Hiện nay, các bệnh viện tại Việt Nam đa số sử dụng các phần mềm đi theo chính hãng sản xuất phần cứng đặt tại máy trạm trong phòng chụp Các phần mềm của hãng thứ 3 như eFilm sẽ được cài vào các máy tính riêng lẻ trong các phòng ban khác để các bác sĩ có thể phân tích các ảnh chụp được khi không ngồi tại phòng chụp hoặc trong trường hợp bộ phần mềm đi kèm với thiết bị thiếu nhiều chức năng (do dùng lại thiết bị cũ) Nhược điểm khi sử dụng các phần mềm của hãng thứ 3 này là giá thành của chúng khá đắt (thực tế các bệnh viện tại Việt Nam đều sử dụng bản không có bản quyền nên không được hỗ trợ) và nhiều khi có những chức năng không phục vụ sát với nhu cầu của bác sĩ

Bên cạnh các phầm mềm của nước ngoài, chỉ có duy nhất một phần mềm xử lý ảnh y

tế của Việt Nam là BK-Dicom của Đại học Bách Khoa Hà Nội Tuy nhiên các chức năng của phần mềm này còn khá sơ sài Đứng trước nhu cầu đó, tác giả mong muốn xây dựng một bộ phần mềm xử lý ảnh y tế “made in Vietnam” với nhiều tính năng có ích Phần mềm này sẽ đem lại các lợi ích sau:

• Phần mềm có khả năng đọc được nhiều định dạng ảnh, xử lý và kết hợp được các ảnh khác loại chụp từ nhiều thiết bị của các hãng khác nhau nhằm phát huy tính đa dụng

Do đó chỉ cần dùng một phần mềm cho mọi loại ảnh

• Phần mềm có các tính năng xử lý đa năng, bao trùm toàn bộ quy trình xử lý ảnh: từ khâu đầu vào (đọc ảnh), trải qua các giai đoạn xử lý (tăng cường, phân vùng, hợp nhất, tái tạo 3D), đến đầu cuối (xuất ảnh, in ảnh, đánh giá)

• Trong quá trình xây dựng phần mềm, các thuật toán xử lý ảnh y khoa sẽ được khảo sát Điều này đem lại nền tảng kiến thức, tích luỹ kinh nghiệm cho những nghiên cứu sâu hơn về xử lý ảnh y khoa trong tương lai

• Phần mềm là một công cụ minh hoạ trực quan phục vụ công tác đào tạo

Chương 2: Mục tiêu của đề tài

Tại Việt Nam, công tác đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý hình ảnh y sinh vẫn còn gặp nhiều khó khăn và hạn chế Một phần là do ngành kỹ thuật y sinh vẫn có mới và chưa được chú ý đúng mức, một phần do tính đặc thù của ngành liên quan đến nhiều kiến thức kết hợp giữa tin học, y học, sinh học, vật lý… Do đó các phần mềm xử lý ảnh y sinh sử dụng tại các bệnh viện và cơ sở y tế trong nước đều của các hãng nước ngoài Đứng trước tình hình đó,

mục tiêu của đề tài hướng đến trong giai đoạn hiện nay là phục vụ cho công tác nghiên cứu

và giảng dạy; tạo tiền đề cho việc phát triển các bộ phần mềm xử lý hình ảnh y sinh học

chuyên nghiệp cũng như đẩy mạnh số lượng các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này

1 Phục vụ công tác nghiên cứu

- Phần mềm có khả năng đọc được nhiều định dạng hình ảnh (định dạng ảnh thông dụng & định dạng ảnh y khoa) và nhiều loại ảnh khác nhau (ảnh X-quang, CT,

MRI, SPECT, CT, siêu âm, DSA, vi thể)

- Phần mềm có các module độc lập cho phép người sử dụng có thể vận dụng linh

hoạt để tạo ra nhiều kịch bản xử lý ảnh

- Khả năng lựa chọn những thuật toán khác nhau sao cho phù hợp với từng đối

tượng xử lý

- Khả năng kết hợp với các chương trình đặc thù khác như MIPAV [22], ITK [23]…

- Tạo ra các bảng đánh giá thời gian thực hiện, định lượng số lượng, phân bố…

2 Phục vụ công tác đào tạo

- Mã nguồn mở được viết bằng ngôn ngữ Matlab – một ngôn ngữ lập trình kỹ thuật thông dụng với các toolbox hỗ trợ xử lý ảnh rất tốt

- Phần trợ giúp và ghi chú cung cấp những thông tin chi tiết giúp người sử dụng có thể hiểu dễ dàng

- Tất cả các công đoạn xử lý ảnh đều chứa đựng các thuật toán cơ bản và thông dụng nhất mà người đào tạo có thể sử dụng như một công cụ trực quan minh họa

PHẦN 2: TỔNG QUAN

Lý thuyết tổng quan cần nắm vững khi thiết kế và xây dựng một bộ phần mềm xử lý ảnh y tế được chia làm 2 phần chính:

- Đặc điểm các loại ảnh và chuẩn ảnh y tế (đối tượng của phần mềm)

- Lý thuyết về xử lý ảnh nói chung và ảnh y tế nói riêng (xây dựng phần mềm)

Chương 1: Một số loại ảnh và chuẩn ảnh y tế

Chẩn đoán hình ảnh được khai sinh cách đây hơn một thế kỷ sau khi tia X được khám phá bởi nhà vật lý người Đức Wilhelm Röntgen vào năm 1985 Ngày nay khi đi vào bệnh viện, người ta dễ dàng nhận thấy có rất nhiều loại hình ảnh chẩn đoán như X-quang, CT, angiography, MRI, SPECT, PET, siêu âm, ảnh vi thể chụp từ kính hiển vi… Những hình ảnh này giúp các bác sĩ dễ dàng quan sát cấu trúc lẫn chức năng tại các cơ quan bên trong cơ thể người bệnh từ đó đưa ra các chẩn đoán cận lâm sàng một cách nhanh chóng và hiệu quả Tuỳ vào nguyên lý thu nhận, mỗi loại ảnh có những đặc điểm và thế mạnh riêng

Chương này tác giả không đi sâu vào cấu tạo của các thiết bị chụp ảnh mà đứng dưới góc

độ xử lý ảnh sẽ tập trung trình bày lần lượt nguyên lý tạo ảnh và đặc điểm của các loại ảnh, chuẩn ảnh dùng trong y tế

1 Ảnh X-quang

ƒ Trong hệ thống X-quang thường quy, để tạo ra ảnh, phim X-quang được kẹp giữa 2 bìa tăng sáng và đặt trong 1 cassette Chùm tia X sau khi được chiếu xuyên qua bộ phận cơ thể bệnh nhân sẽ bị hấp thụ một phần, phần còn lại đi tiếp và đập vào bìa tăng sáng trong cassette Bìa tăng sáng hấp thụ tia X rất hiệu quả và phát ra nhiều photon ánh sáng thấy được tác động lên tấm phim Lượng tia X sau khi đi qua cơ thể còn lại nhiều hay ít sẽ ảnh hưởng tương ứng đến độ xám của từng vị trí trên phim sau khi rửa

Io= Ii.e – μ.x Trong đó: Ii là cường độ tia X tới;

Io là cường độ tia X còn lại sau khi đi qua cơ thể;

μ là hệ số suy giảm tuyến tính, khác nhau với từng cấu trúc và giảm khi năng lượng tia X tăng;

x là bề dày của các cấu trúc trong cơ thể mà tia X đi qua

Vị trí hấp thụ tia X càng nhiều (μ lớn, chẳng hạn như xương) khi nhìn trên phim sẽ có màu sáng và ngược lại Do khả năng hấp thụ tia X tại từng bộ phận trên cơ thể người khác nhau nên hình ảnh tương phản của các bộ phận này sẽ được thành hình trên phim

Hình 2.1.1 Ảnh X-quang chụp phổi, hộp sọ và xương chậu

Hiện nay, hệ thống quang dùng phim cổ điển được dần thay thế bởi hệ thống

X-quang kỹ thuật số Hệ thống X-X-quang kỹ thuật số có những ưu điểm vượt bậc: không cần sử dụng thuốc rửa phim, hình ảnh chụp được có thể hiển thị trực tiếp lên màn hình, việc lưu trữ thông tin dễ dàng hơn nhờ ảnh được lưu dưới dạng số hóa trong các đĩa từ, đĩa quang, khả năng truyền ảnh đi xa nhờ hệ thống mạng (PACS, Internet), và đặc biệt là dễ dàng chỉnh sửa, cải thiện ảnh sau khi chụp X-quang kỹ thuật số được chia làm 2 loại: X-quang điện toán (CR – Computed Radiography) & X-quang trực tiếp (DR- Direct Radiography)

ƒ Hệ thống CR đầu tiên ra đời vào năm 1981 và hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong các bệnh viện tại Việt Nam Trong hệ thống CR, bộ phận phát tia X hoàn toàn giống X-

quang cổ điển, chỉ khác là tấm phim được thay thế bằng một tấm phosphor Tấm phosphor sau khi được chiếu tia sẽ mang thông tin ảnh chụp và sau đó được đưa vào máy quét ảnh CR Máy quét đọc thông tin trên tấm phosphor và số hóa hình ảnh thu được, đồng thời làm cho tấm phosphor trở lại trạng thái ban đầu để dùng cho lần thu ảnh sau Hình ảnh đã số hóa được truyền đến máy tính để xử lý, cải thiện chất lượng ảnh, hiển thị, in ra phim khô, lưu trữ trong

Hình 2.1.2 Hệ thống CR tại trung tâm MEDIC – Tp Hồ Chí Minh

Hình 2.1.3 Xử lý ảnh sau khi ảnh được số hóa trong hệ thống CR (trừ trái qua: ảnh ban đầu - ảnh được tối ưu độ tương phản - ảnh được tăng cường tương phản phần 2 lá

phổi)

ƒ Hệ thống DR dùng một bản cảm ứng thay cho phim Bản cảm ứng này được cấu tạo bởi tinh thể nhấp nháy (scintillator) gồm các lớp Cesium Iodide giúp chuyển đổi tín hiệu tia X thành ánh sáng nhìn thấy và từ đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ cảm biến quang

CCD (charge-coupled device) hoặc photodiode (Indirect DR) Ngoài ra, bản cảm ứng còn có

thể được chế tạo bởi Selenium vô định hình có vai trò chuyển đổi trực tiếp tín hiệu tia X thành

tín hiệu điện từ đó được thu nhận bởi tấm phim mỏng transistor TFT (Direct DR) Hệ thống

DR ngoài việc kế thừa những ưu điểm của hệ thống chụp kỹ thuật số còn có ưu điểm hơn sơ với CR: thời gian thu nhận ảnh nhanh (chỉ mất khoảng 5 giây để ảnh hiện lên màn hình trong khi thời gian quét CR lên đến 90 giây), bản cảm ứng của DR không cần phải xóa và tuổi thọ

sử dụng cao hơn tấm tạo ảnh phosphor của CR, DR không cần cassette nên có thể ghi tên trực tiếp bệnh nhân nhờ máy tính chủ… Tuy nhiên, DR có một nhược điểm là bản cảm ứng thường cố định nên chỉ dùng được cho 1 máy X-quang trong khi CR có nhiều cassettes nên có thể sử dụng cho nhiều phòng chụp

Hình 2.1.4 Hệ thống DR tại trung tâm MEDIC – Tp Hồ Chí Minh

ƒ Ứng dụng X-quang: chụp xương, sọ, phổi, ngực, răng…

2 Ảnh chụp mạch máu kỹ thuật số (DSA) [1]

Trong kỹ thuật chụp mạch máu thông thường (angiography), người ta dùng một ống thông catheter bên trong có chứa dây kim loại (guide wire) bắt đầu luồn từ động mạch đùi, qua các hệ thống động mạch và dẫn đến vùng mạch máu cần chụp Tiếp theo, chất cản quang iodine được bơm vào mạch máu thông qua ống thông đã đưa vào trước đó Chùm tia X chiếu xuyên qua vùng cần chụp tạo nên hình ảnh mạch máu hiển thị trên phim hoặc màn hình Tuy nhiên với phương pháp này, hình ảnh hệ thống mạch máu sẽ bị chồng lấp bởi các phần mô xương nền phía sau dẫn đến thông tin có thể bị mất do sự lộn xộn

Với kỹ thuật chụp mạch máu xoá nền kỹ thuật số (DSA), sự chồng lấp trên có thể được khắc phục bằng cách chụp thêm ảnh ở vùng mạch máu khi chưa bơm chất cản quang (mask image) Sau đó, thiết bị sẽ tự động trừ hai ảnh (subtraction), trước và sau khi bơm chất cản

quang, để cho ảnh kết quả chỉ lộ phần mạch máu

- Cường độ tia X bị hấp thụ bởi xương, mô trước khi bơm chất cản quang:

- Lấy ln hai vế phương trình rồi trừ (1) cho (2) ta được kết quả:

Is = ln(Is) – ln(Ic) = μvessel.xvessel

Hình 2.1.5 Trừ hai ảnh trong kỹ thuật chụp DSA

3 Ảnh chụp cắt lớp điện tóan (CT) [1, 2]

Hệ thống chụp cắt lớp điện toán CT (Computed Tomography) cũng ứng dụng tia X để thu nhận ảnh nhưng quy trình thực hiện phải trải qua nhiều giai đoạn thu nhận và biến đổi phức tạp để có được ảnh cắt lớp

Hình 2.1.6 Ảnh X-quang và ảnh cắt lớp CT

Đầu tiên, tia X được phát ngang qua bộ phận cơ thể người cần chụp Đầu thu

(detector) được đặt ở hướng đối diện qua cơ thể người và ghi nhận các thành phần còn lại của

tia X sau khi bị các bộ phận trên cơ thể bệnh nhân hấp thu Đầu phát và đầu thu cứ thế tịnh

tiến và xoay quanh cơ thể người để ghi nhận (measurement) lại các tín hiệu ứng với mỗi vị trí

và góc chụp khác nhau Sau đó, chương trình máy tính sẽ tính toán và tái tạo (reconstruction)

ƒ Ghi nhận tín hiệu: tín hiệu cần ghi nhận là hệ số suy giảm tuyến tính μ của tia X giữa đầu phát và đầu dò Đầu phát và dãy đầu dò quay lần lượt xung quanh bệnh nhân Tại mỗi góc

sẽ thu nhận được một dãy hệ số suy giảm μ khác nhau (gọi là hình chiếu - projection) Một bộ gồm nhiều projections sẽ được tạo ra ứng với nhiều góc quay tạo thành 1 ảnh sinogram

Hình 2.1.7 Ghi nhận tín hiệu suy giảm tuyến tính bằng các dectectors, theo các hướng

khác nhau và ảnh sinogram

ƒ Tái tạo tín hiệu: nhờ vào thuật toán back projection Thuật toán back projection thực chất là quá trình đảo ngược quá trình ghi nhận tín hiệu để tái tạo nên slice ảnh cắt lớp Tuy nhiên quá trình đảo ngược này có thể làm mờ chi tiết trên ảnh (xem hình 2.1.8)

Hình 2.1.8 Ảnh tái tạo từ các projections bị mờ

Để tránh hiện tượng trên, những hình chiếu projections cần phải đi qua bộ lọc để làm rõ

Hình 2.1.9 Ảnh tái tạo từ các projections sau khi đã qua bộ lọc

)μ -(μ

CT

(nước)

(nước) (chất)

=

Trong đĩ: K là hệ số tỉ lệ, thường được chọn là 1000, khi đĩ giá trị CT cĩ đơn vị

là Hounsfield (HU) Giá trị CT được tính trên cơ sở năng lượng 73 KeV – là “năng lượng hiệu dụng của chùm tia 230 KeV sau khi đi qua 27 cm nước.” Giá trị CT của nước là 0, của xương là 1000, của khơng khí là -1000 Các tổ chức hấp thụ tia X càng nhiều thì số CT càng cao Mỗi giá trị

CT được biểu diễn trên ảnh bởi mật độ đậm nhạt của thang xám Các giá trị CT nằm trong một dãi rất rộng (từ -1000 → 1000) nên cần phải cĩ đến hơn 2000 mức xám để hiển thị Tuy nhiên mắt người chỉ cĩ thể phân biệt được từ 10 đến 20 thang xám do vậy phải sử dụng các cửa sổ cĩ mức xám trung tâm và độ rộng thay đổi được để hiển thị 1 dãy CT giới hạn nào đĩ của bộ phận cần khảo sát trên màn hình

Ảnh CT trong máy CT quy ước chỉ thu thập tập ảnh cắt lớp theo trục đứng (Axial) Các phần mềm máy tính cĩ thể cho phép tái tạo thêm tập ảnh các lớp cắt trước –sau (Coronal)

và phải – trái (Sagital) cũng như tái tạo thành ảnh 3 chiều để cĩ thêm thơng tin chẩn đốn

ƒ Ứng dụng ảnh CT: rất đa dạng, bao gồm các ứng dụng chẩn đoán: chụp bụng / xương chậu, cột sốt (chiếm đa số), chụp não, chụp vùng trung thất, chụp phổi, chụp sọ, chụp tai và ứng dụng trong việc lập kế hoạch xạ trị

4 Ảnh cộng hưởng từ (MRI) [3]

Ảnh cộng hưởng từ (MRI – Magnetic Resonance Imaging) được tạo ra dựa trên đặc tính hấp thụ năng lượng của hạt nhân nguyên tố Hydro khi nhận được năng lượng kích thích điện từ ứng với tần số dao động riêng của hạt nhân (tần số Lamor) và đặc tính phát ra năng lượng của hạt nhân sau khi đã hấp thu Tuỳ vào nồng độ phân bố của Hydro trong cấu trúc vật chất mà cường độ tín hiệu phát ra khác nhau Bằng cách sử dụng phương pháp mã hóa pha,

mã hóa tần số bằng gradient từ trường theo 3 phương, vị trí mật độ phân bố Hydro trong không gian có thể xác định chính xác từ đó tái tạo nên ảnh

Độ tương phản của các chi tiết giải phẫu trong ảnh MRI được tạo ra từ tín hiệu thu được trong quá trình kích thích và hồi phục của các moment từ (spin) của hạt nhân nguyên tử Hydro Người ta gọi T1 là thời gian hồi phục của vector từ hóa dọc (Mz) đạt được 63% mức cựa đại ban đầu sau khi bị kích thích Thời gian hồi phục T2 là thời gian vector từ hóa ngang (Mxy) giảm dần còn 37% mức cực đại (do các moment từ của proton mất dần sự đồng pha) sau khi bị kích thích Tuỳ theo cấu tạo các tổ chức trong cơ thể (nước, mỡ, mô, máu…) mà có T1 và T2 nhanh hay chậm khác nhau nhờ đó tạo nên sự tương phản trong ảnh thu được

ƒ Ảnh T1-weighted: là ảnh có độ tương phản được quyết định bởi sự khác nhau về thời gian T1 giữa các tổ chức

ƒ Ảnh T2-weighted: là ảnh có độ tương phản được quyết định bởi sự khác nhau về thời gian T2 giữa các tổ chức

ƒ Ảnh mật độ proton: là ảnh có độ tương phản được quyết định bởi mật độ phân bố của tất cả các proton bị kích thích

Tuỳ vào thời gian lặp lại kích thích (TR), thời gian từ lúc phát xung kích thích đến lúc thu nhận tín hiệu (TE) mà ta có được ảnh T1-weighted, T2-weighted hay mật độ proton

Như trên hình vẽ 2.1.10, khi TR ngắn (<600ms) những chất có T1 ngắn sẽ có màu sáng và T1 dài sẽ có màu tối Ngược lại nếu TR dài, độ tương phản giữa những chất có T1 khác nhau sẽ không khác nhau mấy (đều sáng) => Ảnh T1-weighted được tạo ra khi TR ngắn

Hình 2.1.10: Mối quan hệ giữa TR và độ tương phản ảnh T1-weighted

Trên hình vẽ 2.1.11, khi TE dài (>60ms) những chất có T2 dài sẽ có màu sáng và T2 ngắn sẽ có màu tối Ngược lại nếu TE ngắn, độ tương phản giữa những chất có T2 khác nhau

sẽ không khác nhau mấy (đều sáng) => Ảnh T2-weighted được tạo ra khi TE dài

Hình 2.1.11: Mối quan hệ giữa TE và độ tương phản ảnh T2-weighted

Đối với ảnh mật độ proton, càng nhiều proton được hiển thị càng tốt; cho nên khi đó ta cần TR dài và TE ngắn Dưới đây là bảng tóm tắt cho các trường hợp:

Loại chất Ảnh T1-weighted Ảnh T2-weighted

Nước Tối Sáng

Mô liên kết Tối Tối

Sụn sợi (sụn liên kết) Tối Tối

Xương đặc Tối Tối

Bảng 2.1.2: Cường độ tín hiệu của các chất khác nhau trong ảnh T1 và T2

Như vậy khi điều chỉnh thời gian TR và TE, ta có thể làm cho đặc tính của một loại tổ chức cụ thể trở nên rõ hơn hay kém rõ hơn trên ảnh Việc chọn lọc chuỗi xung kích thích sẽ xác định loại tín hiệu thu nhận từ tổ chức cơ thể Trong các thiết bị MRI ngày nay, những chuỗi xung này đã được lập trình sẵn trong máy tính tuỳ theo từng bộ phận muốn chụp (protocol); tuy nhiên kỹ thuật viên cũng có thể tự thay đổi trong một số trường hợp

Ngoài ra, nhờ phương pháp mã hóa pha, mã hóa tần số theo các phương khác nhau mà ảnh MRI có thể chụp được theo cả 3 phương Axial (Transverse), Coronal, và Sagital

ƒ Ứng dụng ảnh MRI trong chẩn đoán: rất đa dạng: chụp não, cổ, xương sống, ngực, tim, vú, bụng, xương chậu, cơ xương, mạch máu (nhờ bơm thêm chất cản quang)

ƒ Tuỳ theo tính chất bề mặt phân cách giữa 2 môi trường mà cường độ sóng phản xạ (hay tán xạ) sẽ khác nhau Tính chất của môi trường được biểu diễn thông qua đại lượng trở kháng âm Z:

Z = c.ρ Trong đó: c là vận tốc sóng âm trong môi trường (mô c=1540m/s; mỡ c=1450 m/s ) ρ: tỉ khối của môi trường

Trở kháng âm giữa 2 môi trường sẽ ảnh hưởng đến hệ số phản xạ của sóng âm và quyết định đến cường độ sóng phản xạ:

xạ sẽ nhỏ Nếu sự chênh lệch trở kháng âm lớn (như xương & mô mềm): cường độ sóng phản

xạ sẽ lớn Ngoài ra, độ sâu cũng làm suy giảm cường độ sóng phản xạ Càng đi vào sâu sóng

âm càng bị suy giảm vì thế cần có một mạch điều khiển bù khuếch đại thời gian (hay bù độ sâu vì càng vào sâu thì thời gian phản xạ về đầu thu càng lâu)

ƒ Bên cạnh cường độ, thời gian thời gian chênh lệch giữa các xung cũng là một thông tin quan trọng vì qua đó ta biết được độ sâu của tín hiệu phản xạ thu được:

t = 2R/c

Trong đó: t là thời gian sóng siêu âm đi từ đầu dò, phản xạ trở lại và đi vào đầu thu

R là độ sâu của sóng âm đi được trong cơ thể

Với 2 thông tin: biên độ của xung thu được và thời gian giữa chúng, thiết bị có thể tạo

ra ảnh siêu âm Máy siêu âm có các chế độ quét sau:

Hình 2.1.14: Các chế độ quét của thiết bị siêu âm [5]; lưu ý mặt phân cách thứ 3 đang

di chuyển lên xuống (hình bên trái tại thời điểm t1; hình bên phải tại thời điểm t2>t1)

- A-mode (amplitude mode): hiển thị biên độ tín hiệu dội về tại các mặt phân cách theo

độ sâu Ảnh có dạng một chiều Chế độ này thường được dùng để phát hiện sự di chuyển trung tuyến, định vị dị vật trong mắt, khối u ở vùng ngực

- B-mode (brightness mode): cũng thu nhận biên độ tín hiệu dội về nhưng được biểu

diễn bằng độ sáng của một chấm sáng trên màn hình Vị trí của chấm sáng cũng biểu thị độ sâu của mặt phân cách tính từ đầu dò Bệnh nhân có thể được quét từ nhiều hướng khác nhau

Sự kết hợp các đường quét (được lưu trữ) tạo nên ảnh 2 chiều hoàn chỉnh có nhiều thuận lợi trong việc miêu tả đường nét chung của bệnh nhân và các bộ phận bên trong Chế độ này thường được dùng để chụp ảnh vùng xương chậu, bụng

- M-mode (motion mode) cũng được gọi là TM-mode (time motion) hay PM-mode (position motion): tương tự như chế độ quét B-mode, cũng cho ảnh một chiều nhưng kết hợp

với sự di chuyển theo thời gian thực Nhờ đó có khả năng phát hiện được nhu động theo chiều phát siêu âm Chế độ này được dùng lần đầu tiên trong việc xem xét van tim 2 lá trong siêu

âm điện tâm đồ Trên hình 2.1.14, ta lưu ý là mặt phân cách thứ 3 đang chuyển động lên xuống vào quét nên một hình sin khi hiển thị ở chế độ M-mode

Hình 2.1.15 Chế độ quét A-mode

Hình 2.1.16: Hình a) chế độ quét B-mode 2 chiều; Hình b) Chế độ quét M-mode tại ví trí

đường kẻ đỏ trên hình a

- Siêu âm Doppler:

Hiệu ứng Doppler là hiện tượng thay đổi tần số quan sát được nếu xảy ra chuyển động tương đối giữa nguồn phát và đầu thu Trong siêu âm chẩn đoán, có thể áp dụng hiện tượng này để khảo sát vận tốc và hướng di chuyển của các dòng chảy sinh học (như máu)

Tần số Doppler được xác định:

c

cos.v.f

2ff

trong đó: fi là tần số sóng siêu âm đi ra từ nguồn phát

fr là tần số sóng siêu âm đi vào đầu thu

θ là góc hợp bởi chiều truyền sóng và mặt phân cách

Hình 2.1.17 Sơ đồ nguyên lý siêu âm Doppler

Trong siêu âm Doppler có:

+ Siêu âm Doppler sóng liên tục (CW – Continuous Wave) chỉ phát hiện được vận tốc

của chuyển động nhưng không xác định được độ sâu vì đầu dò và đầu thu liên tục phát và thu tín hiệu Nhược điểm này ảnh hưởng rất lớn khi đo ở vị trí có 2 dòng chảy cùng nằm trên 1 đường khảo sát (đường đi của sóng siêu âm) và gây nên sự chồng lấp vận tốc 2 dòng chảy này

+ Siêu âm Doppler sóng xung (PW- Pulsed Wave) khắc phục được nhược điểm trên của

CW Doppler vì nó cho phép khảo sát vận tốc dòng chảy tại 1 khoảng sâu xác định Tuy nhiên nhược điểm của PW Doppler là không đo được dòng chảy có vận tốc lớn vì giới hạn tần số lấy mẫu Nyquist Trong PW Doppler, đầu phát sẽ phát đi xung sóng siêu âm

và chờ thu tín hiệu phản xạ lại Thời gian giữa 2 lần phát xung liên tiếp là PRD (Pulse Repetition Period) = 2R/c hay tần số phát xung là PRF (Pulse Repetition Frequency) =

1/(2R/c) = c/(2R) Đây chính là “tần số lấy mẫu” của xung sóng phản xạ Theo lý thuyết lấy mẫu, tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số tín => tần số tín hiệu xung phản xạ fD bị giới hạn ≤ PRF/2 tức ≤ c/(4R) => Vận tốc lớn nhất có thể đo được vmax =

fD.c/2fi = c2/8Rfi ; trong thực tế giá trị này khoảng 1.5-2m/s

+ Siêu âm Doppler năng lượng dựa vào đại lượng bình phương vận tốc để biết mức độ hoạt động của dòng chảy nên không xác định được chiều Ưu điểm có thể đo những dòng chảy có vận tốc rất nhỏ nhưng độ phân giải thời gian kém

Hình 2.1.18 Ảnh siêu âm CW Doppler xác định dòng chảy của máu qua van tim; dòng chảy hướng về đầu dò có vận tốc dương (phần trên) và dòng chảy hướng ra xa đầu dò có vận tốc

âm (phần dưới)

Hình 2.1.19 [6] Ảnh siêu âm PW Doppler; hình trái: giá trị PRF thiết lập quá nhỏ gây ra hiện tượng sai lệch khi lấy mẫu; hình phải: PRF thiết lập phù hợp với vận tốc dòng máu

Hình 2.1.20 Siêu âm Doppler năng lượng

ƒ Ứng dụng ảnh siêu âm: rất đa dạng: siêm âm tim, siêu âm tuyến vú, siêu âm các cơ quan thuộc ổ bụng như gan, lách, tụy, đường mật, thận, hệ tiết niệu, dịch ổ bụng, siêu âm dùng trong sản khoa, phụ khoa, siêu âm động mạch cảnh, tuyến giáp…

6 Ảnh SPECT [7]

Ảnh chụp cắt lớp điện toán phát xạ đơn photon (SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography) được tạo ra bằng kỹ thuật tái tạo hình ảnh 3 chiều từ các lớp cắt (như CT) và kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ Khác với X-quang, CT, MRI, ảnh SPECT cung

cấp thông tin về chức năng (mức độ trao đổi chất, các hoạt động sinh lý) của vùng cần khảo sát

- Trước khi chụp, bệnh nhân được bơm chất đồng vị phóng xạ vào tĩnh mạch Chất phóng xạ được chọn phải tập trung nhiều vào vùng cơ quan cần khảo sát và chỉ tồn tại trong

cơ thể với thời gian vừa đủ nhằm giảm thiểu các tác hại do phóng xạ gây Đối với trường hợp chụp tim, người ta thường dùng đồng vị Tc-99m tetrofosmin hay Tc-99m sestamibi; đối với trường hợp chụp vùng não, đồng vị Tc-99m hexamethylpropylene amine oxime được dùng Thời gian bán rã của Tc-99m là 6 giờ

- Sau đó, các đầu dò Gamma Camera sẽ quay vòng quanh cơ thể bệnh nhân để thu tín hiệu từ các tia gamma phát ra Gamma Camera có vai trò chuyển tín hiệu tia gamma thành tín hiệu điện tương ứng Ứng với mỗi góc, thiết bị sẽ thu nhận được sự phân bố cường độ năng lượng của đồng vị phóng xạ, từ đó có thể tái tạo ảnh lát cắt sự phân bố đồng vị phóng xạ (tương tự thuật toán tái tạo của CT) Độ đậm nhạt của mỗi chấm (pixel) trên hình cho biết hoạt độ phóng xạ mạnh hay yếu Màu đen có nghĩa là không có phóng xạ, màu trắng tương ứng với hoạt độ mạnh nhất Trong thực tế người ta dùng dãi màu sắc để hiển thị độ phóng xạ (false color); cách này giúp phân biệt các vùng rõ hơn Hiện nay các thiết bị SPECT có từ 1 đến 3 đầu dò Các máy SPECT có 2 (dual) và 3 đầu dò sẽ cho kết quả ghi hình nhanh hơn Từ các lát cắt thu được, máy tính còn có thể chuyển thành hình ảnh 3 chiều về sự phân bố trong không gian của chất phóng xạ tại cơ quan người bệnh Dựa vào các hình ảnh này các bác sĩ sẽ khảo sát và đánh giá hoạt động chức năng sinh lý đang diễn ra

ƒ Ứng dụng ảnh SPECT: chụp xạ hình khối u, giúp phát hiện sớm các khối u, xạ hình tưới máu cơ tim, hàng rào máu não, xạ hình gan, xương, tuyến giáp, thận, phổi…

ƒ Trước khi tiến hành chụp, bệnh nhân được tiêm vào dược chất phóng xạ phát positrion

có thời gian bán rã ngắn như 11C-methionine, Fluorodeoxyglucose (FDG) Các dược chất này sau khi đi vào cơ thể sẽ tập trung vào vùng cần khảo sát chức năng Quá trình phân rã positron diễn ra biến đổi proton thành neutron trong hạt nhân chất phóng xạ, phát ra một positron và neutrino Positron sinh ra tương tác với vật chất trong cơ thể Dưới tác dụng lực Coulomb của các electron liên kết, các positron truyền năng lượng cho electron (gây ra sự kích thích hoặc ion hoá nguyên tử chất) Quá trình tương tác này lặp lại với nhiều electron và các nguyên tử tạo nên quãng chạy của positron trong mô Năng lượng positron giảm dần Khi ở mức năng lượng nhiệt, positron sẽ kết hợp với electron tạo nên sự huỷ cặp positron – electron và phát ra

2 tia gamma 511 keV bay theo hai hướng ngược nhau

ƒ Các cặp tia gamma sẽ đi ra ngoài và được thu nhận bởi các đầu dò xếp thành hình tròn xung quanh cơ thể bệnh nhân Nếu hai tia gamma được ghi nhận đồng thời bởi một cặp detector đối xứng thì quá trình hủy cặp phải xảy ra dọc theo đường nối hai detector đó (gọi là đường đáp ứng LOR) Vị trí chính xác của sự hủy cặp có thể được tính từ hiệu khoảng cách thời gian ghi nhận tín hiệu của hai tia

Việc tái tạo hình ảnh dưới dáng lát cắt được thực hiện nhờ thuật toán chiếu ngược có lọc (như ở CT) Trong hình 2.1.23, các đường đáp ứng (LOR) thu được bởi hệ thống đầu dò

(A) Các đường đáp ứng được biểu diễn lên đồ thị bằng 1 chấm theo các trục góc và độ lệch của đường so với điểm trung tâm đầu dò (B) – các đường trùng nhau tạo thành điểm có màu sáng hơn Tập hợp tất cả các đường đáp ứng được biểu diễn lên đồ thị sẽ tạo thành sinogram (C) Phép chiếu ngược có lọc được thực hiện để thu được ảnh PET (D) - điểm có hoạt độ mạnh sẽ có màu sáng hơn, điểm tối là không có phóng xạ Tương tự SPECT, người ta cũng dùng dãi màu sắc để hiển thị độ phóng xạ (false color)

Với một bộ gồm nhiều lát cắt, máy tính có thể tái tạo ảnh 3 chiều về sự phân bố trong không gian của chất phóng xạ tại cơ quan người bệnh Những vị trí phát tia nhiều hơn thì ở đó chất phóng xạ tập trung nhiều hơn, tức hoạt động trao đổi chất hay sự tuần hoàn máu ở đó mạnh hơn

Hình 2.1.23 Quá trình tạo ảnh PET từ các đừơng đáp ứng (LOR)

Hình 2.1.24 Ảnh PET chụp não (trái) và sau khi được tái tạo 3 chiều (phải)

ƒ Ứng dụng ảnh PET: chẩn đoán bệnh ung thư, các khối u, các bệnh liên quan

8 Ảnh vi thể

Ảnh vi thể là ảnh được chụp qua kính hiển vi cho phép quan sát rõ những cấy trúc nhỏ

có kích thước ở cấp độ micromét (kính hiển vi quang học) hay ở cấp độ nanomét (kính hiển vi điện tử) Để thu được ảnh, người ta gắn trên kính hiển vi một máy ảnh

Trong lĩnh vực giải phẫu bệnh, ảnh vi thể gồm ảnh chụp các cấu trúc mô & tế bào (như mô thần kinh, mô da, tế bào cấu tạo nên khối u) Để quan sát được rõ cấu trúc mô & tế bào, người ta phải thực hiện tiêu bản mô có nhuộm màu rồi mới đem đi quan sát bằng kính hiển vi Trong lĩnh vực xét nghiệm, ảnh vi thể gồm ảnh chụp các tế bào máu, ảnh tinh trùng, ảnh các loài vi khuẩn… Trong lĩnh vực di truyền học, ảnh chụp nhiễm sắc thể là một loại ảnh

vi thể

Hình 2.1.25 Một số ảnh vi thể: (A) mô gan bị xơ hóa (B) tế bào khối u (C) các tế bào máu (D)

một liên cầu khuẩn thuộc nhóm A (E) ảnh tinh trùng (F) ảnh nhiễm sắc thể

9 So sánh đặc điểm các loại ảnh

Dưới đây là bảng so sánh ưu và khuyết điểm của các loại ảnh khi xét trên phương diện

chất lượng hình ảnh (không xét đến các khía cạnh khác như vấn đề ảnh hướng sức khỏe khi

chụp, khả năng ứng dụng, giá thành thiết bị…)

Vùng nhìn FOV nhỏ, độ phân giải không gian thấp

CT Giải phẫu Độ phân giải không gian tốt

Không bị che lấp chồng lấn giữa các cơ quan Khả năng phân giải mô mềm cao hơn X-quang Có thể tái tạo ảnh 3 chiều

Không chụp tốt các cấu trúc

mô bên cạnh cấu trúc xương, các cấu trúc khí Ảnh giả dễ xuất hiện

MRI Giải phẫu Độ phân giải tương phản rất

tốt Ảnh chụp mô mềm rõ và chi tiết hơn các phương pháp khác Có thể tái tạo ảnh 3 chiều

Không chụp tốt các cấu trúc xương và khí Ảnh giả có thể xuất hiện

SPECT Chức năng Có thể tái tạo 3D Độ phân giải kém Ảnh giả và

Hạn chế thông tin về độ sâu

10 Chuẩn ảnh DICOM [9, 10]

các nhà sản xuất thiết bị), cấu trúc của nó được thiết kế để đảm bảo tương thích giữa các hệ thống trong quy chuẩn về tạo, hiển thị, lưu trữ, xử lý, gởi, nhận, yêu cầu, in ấn hình ảnh y khoa

Hình 2.1.27 Quy trình xây dựng quy chuẩn thiết bị

ƒ Định dạng tập tin và cấu trúc thư mục y khoa để dễ dàng truy xuất các ảnh và thông tin liên quan được lưu trữ trong thiết bị có thông tin dùng chung

Một tập tin DICOM (.dcm) chứa phần mở đầu (header) gồm thông tin về bệnh nhân, cách thức chụp, độ phân giải ảnh và phần dữ liệu ảnh (2 chiều hoặc 3 chiều) Trong khi đối với chuẩn Analyze được dùng trước đây, dữ liệu ảnh được lưu riêng vào một tập tin (.img) và phần mở đầu lại được lưu vào một tập tin khác (.hdr) DICOM còn có ưu điểm hơn là nó có thể được nén để giảm bớt kích thước tập tin ảnh

Cấu trúc phần header của ảnh DICOM: trong một tập tin ảnh DICOM, 128 bytes đầu tiên không được sử dụng và thường mang giá trị null (không có gì cả) Theo sau đó là 4 ký tự

‘D’ ‘I’ ‘C’ ‘M’ Những bytes tiếp theo dùng để chứa thông tin về độ phân giải ảnh, bệnh nhân, ngày giờ chụp, phương thức chụp, bệnh viện v.v được sắp xếp theo nhóm (meta information group) Kích thước của phần header thay đổi dựa trên thông tin được lưu vào phần này nhiều hay ít

Hình 2.1.28 Cấu trúc header của một tập tin ảnh DICOM

Đối với CT, MRI, SPECT, PET, ảnh của một bệnh nhân thông thường sau một lần chụp có thể lên đến vài trăm ảnh Việc phân loại và sắp xếp các ảnh này là một điều rất cần thiết Các ảnh DICOM của cùng một bệnh nhân được phân chia thành các bộ ảnh (study) và xếp vào cùng một thư mục Bên ngoài có một tập tin (DICOMDIR) chứa thông tin về các bộ ảnh đó Bộ ảnh được phân loại theo những đặc tính như hướng chụp (axial, coronal, sagital), ảnh định vị hoặc ảnh trước và sau khi bơm chất cản quang

Các bệnh viện, phòng khám, trung tâm hình ảnh là những đối tượng tiếp xúc với chuẩn DICOM Bằng cách đầu tư thiết bị và hệ thống thông tin theo chuẩn DICOM, họ sẽ được đảm bảo rằng những thiết bị này tương thích dễ dàng với nhau trong việc đọc, quản lý, trao đổi và phân phối hình ảnh Bác sĩ và kỹ thuật viên hình ảnh có thể đọc các ảnh có chuẩn này, xử lý

và đưa ra những chẩn đoán nhanh chóng từ mọi nơi trên toàn thế giới Chuẩn DICOM luôn được cập nhật 4-5 năm một lần để thích ứng theo sự phát triển của công nghệ kỹ thuật hiện đại

11 Một số định dạng ảnh khác [11]

Ngoài định dạng ảnh DICOM, các định dạng ảnh thông dụng cũng được sử dụng trong

y tế Khi tiến hành xây dựng bộ phần mềm xử lý ảnh, ta cần nắm đặc điểm của những định dạng ảnh này:

ƒ BMP (Microsoft Widows Bitmap): định dạng ảnh không nén (dung lượng lớn) có thang màu là True Color, Grayscale hoặc Indexed Ảnh chứa toàn bộ thông tin gốc khi lưu trữ, tính trung thực cao

ƒ JPEG/JPG (Joint Photographic Expert Groups): là định dạng ảnh nén (dung lượng nhỏ) có thang màu là True Color, Grayscale Tuy không rõ nét bằng BMP, nhưng nhìn chung với một tỉ lệ nén tương đối, chất lượng hình ảnh vẫn tốt; là định dạng cơ bản được sử dụng phổ biến nhất

ƒ PNG (Portable Network Graphic): thang màu True Color, Grayscale hoặc Indexed Đặc trưng của loại ảnh này là dung lượng vừa phải, chất lượng tương đối Đặc biệt ảnh khi ở thang cường độ (Indexed) có thể chứa giá trị qui định độ trong suốt của ảnh (alpha channel)

ƒ TIFF hoặc TIF (Tagged Image File Format): thang màu True Color, Grayscale hoặc Indexed Đây là loại ảnh có thể chứa nhiều ảnh trong cùng một tập tin, chất lượng tương đối tốt

Chương 2: Lý thuyết cơ bản về xử lý ảnh y tế

Các thiết bị chẩn đoán hình ảnh ngày nay hoạt động dựa vào sự hỗ trợ đắc lực của máy tính Cụ thể các phần mềm máy tính có khả năng tái tạo, hiển thị, xử lý và phân tích ảnh Trong quá trình chụp, ảnh có thể bị nhiễu, mờ, hoặc sai lệch Nguyên nhân gây ra các hiện tượng này là do bệnh nhân di chuyển trong lúc chụp, các thông số chụp không tối ưu (nguyên nhân chủ quan) hoặc do ảnh giả gây ra bởi phần cứng thiết bị, do cấu trúc vùng chụp (nguyên

nhân khách quan) Chính vì thế, xử lý ảnh có vai trò quan trọng trong việc tăng cường chất lượng ảnh chụp bằng các thuật toán loại nhiễu, làm cho ảnh rõ hơn, tăng độ tương phản cho ảnh Mặt khác, xử lý ảnh giúp phân vùng các cấu trúc trên ảnh để cung cấp số liệu về diện

tích, thể tích, số lượng các vùng quan tâm Chẳng hạn phần mềm sẽ xác định chính xác kích thước các tạng đặc trong ổ bụng (gan, lách, thận, tụy ), đánh giá thể tích các khối u bất thường nhằm đề ra phác đồ cho việc điều trị, phân tách và đếm số lượng nhiễm sắc thể, số lượng tế bào máu Không những thế, xu hướng chẩn đoán hình ảnh trong những năm gần

đây là kết hợp nhiều phương thức chẩn đoán hình ảnh đã có Đó là sự hợp nhất các hình

ảnh mang thông tin về cấu trúc giải phẫu với hình ảnh mang thông tin chức năng, chẳng hạn như kết hợp các ảnh CT-SPECT, MRI-SPECT, MRI-CT Việc kết hợp này có thể thực hiện bằng phần mềm, hoặc thiết bị chụp kết hợp (máy SPECT-CT) nhưng sau đó cũng phải nhờ sự trợ giúp của phần mềm để hiệu chỉnh các sai lệch nhỏ giữa hai lần chụp Những ảnh kết hợp này giúp chẩn đoán các bệnh lý đòi hỏi phải có thông tin về cấu trúc lẫn chức năng như: ung thư, u tuyến cần giáp, khối u ở não, bệnh Alzheimer, tâm thần phân liệt, khảo sát sự hoạt động của hệ thống tim mạch… Khi quan sát bằng CT hay MRI, các bác sĩ có thể gặp khó khăn trong việc xác định vị trí chính xác các mô ung thư do độ tương phản thấp của mô ung thư so với các mô xung quanh Với ảnh PET, bác sĩ có thể xác định rõ khối u nhưng lại khó xác định

vị trí giải phẫu của chúng Do vậy, khi ghép 2 ảnh này lại với nhau sẽ giúp các bác sĩ dễ dàng xác định được vị trí giải phẫu của khối u để đưa ra những phác đồ điều trị chính xác Một vai

trò khác của xử lý ảnh là tái tạo ảnh 3D nhằm cung cấp cái nhìn trực quan về các cơ quan

trong cơ thể người bệnh Các hình ảnh 3D giúp dễ dàng hình dung được các cấu trúc phức tạp như hệ thống mạch máu, các buồng, van tim, ruột, sự phân bố của dược chất phóng xạ tại cơ quan bệnh nhân… Nội soi ảo là một ứng dụng tiên tiến dựa trên việc tái tảo ảnh 3D Thay vì với kỹ thuật thông thường phải dung ống nội soi đưa vào cơ thể gây đau đớn và khó chịu cho người bệnh, thiết bị chụp cắt lớp MSCT 64 lát cắt với sự hỗ trợ của phần mềm giúp tái tạo 3

chiều ống tiêu hóa, khí phế quản, các xoang… Chương này sẽ lần lượt trình bày các lý thuyết

xử lý ảnh cơ bản để giải quyết những vấn đề trên

1 Tăng cường ảnh (Image Enhancement) [12]

Giải thuật tăng cường ảnh được sử dụng nhằm cải thiện chất lượng ảnh chụp, làm cho các chi tiết trong ảnh quan sát được dễ dàng hơn Khử nhiễu, làm rõ ảnh, điều chỉnh cường độ sáng là các kỹ thuật giúp tăng cường và cải thiện chất lượng ảnh Tuy nhiên quá trình xử lý không được làm mất các thông tin có giá trị trong ảnh gốc cũng như làm phát sinh ra các chi tiết làm sai lệch kết quả chẩn đoán

1.1 Giải thuật khử nhiễu:

Ta có thể phân chia các lọai nhiễu như sau:

ƒ Dựa vào sự phân bố cường độ và phân bố không gian:

o Nhiễu xám: giá trị của nhiễu nằm trong một khỏang liên tục nào đó; dạng nhiễu này sẽ ảnh hướng lên tất cả các pixel trong ảnh nhưng cường độ của mỗi pixel cơ bản được giữ nguyên – ví dụ: nhiễu Gaussian

o Nhiễu xung (nhiễu muối tiêu): nhiễu có dạng lấm chấm phân bố rải rác trên ảnh; cường độ nhiễu này rất lớn nên thông tin của các pixel tại đây sẽ bị mất

ƒ Dựa vào tính chất của nhiễu trong miền tần số:

o Nhiễu dãi rộng: chiếm đa số

o Nhiễu dãi hẹp: ảnh hướng đến 1 dãi hẹp tần số; hiển thị dưới dạng các đường sọc

Từ việc phân loại trên mà ta có các giải thuật khử nhiễu phù hợp cho từng loại:

Khử nhiễu dãi hẹp: chỉ có một số thành phần tần số cao gây ra nhiễu Nhiễu lọai này có

thể được khử bằng cách loại bỏ các thành phần tần số cao trên phổ Fourier 2 chiều Đầu tiên

ta thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc 2 chiều (DFT); tiến hành loại bỏ các thành phần tần

sồ cao (gần trung tâm phổ) rồi thực hiện phép biến đổi Fourier ngược rời rạc 2 chiều (IDFT)

để thu lại ảnh (hình 2.2.1)

Hình 2.2.1 Khử nhiễu dãi hẹp bằng phương pháp loại bỏ thành phần tần số cao trên phổ

Fourier 2 chiều rời rạc

Khử nhiễu xám dãi rộng: giá trị tại 1 pixel bằng tổng giá trị của pixel đúng với giá trị

nhiễu Các giá trị nhiễu là ngẫu nhiên nên để loại bỏ ta dùng phương pháp lấy trung bình những giá trị này Trên lý thuyết, ta tiến hành chụp một loạt ảnh của cùng một đối tượng để được N ảnh rồi lấy trung bình các ảnh này Do đối tượng là không đổi nên sau khi lấy trung bình, các giá trị của chúng sẽ vẫn giữ nguyên; trong khi đó các thành phần nhiễu (có độ lệch chuẩn σ) được giảm xuống

Tuy nhiên trên thực tế, việc chụp nhiều ảnh rồi lấy trung bình mất nhiều thời gian và

tăng liều chiếu cho bệnh nhân do đó kỹ thuật lọc “trung bình cục bộ” (làm mượt cục bộ) cho

1 ảnh sẽ được áp dụng để khử nhiễu Giá trị của 1 pixel tại vị trí (i,k) sau khi thực hiện phép lấy trung bình cục bộ:

Trong đó: Ai,k là vùng lân cận của pixel (i,k); fm,n là các giá trị pixel thuộc vùng lân cận này; cm,n là trọng số của từng pixel Độ lớn vùng lân cận A quyết định mức độ loại nhiễu A càng rộng → mức độ khử nhiễu càng tăng nhưng lại làm cho ảnh càng bị mờ đi và nhiều chi tiết bị trên ảnh bị mất

Để giải quyết vấn đề trên, người ta dùng kỹ thuật lọc “trung bình cục bộ đáp ứng”, có

nghĩa là tuỳ vào vị trí (i,k) mà kích thước của A sẽ thay đổi cho phù hợp Rõ ràng tại những vị trí “phẳng” (vùng xung quanh vị trí này tương đối đồng nhất) thì ta thiết lập vùng lấy trung bình (A) lớn Đối với những vị trí “gồ ghề” (vùng xung quanh gồm nhiều chi tiết mép cạnh…) thì ta thiết lập vùng lấy trung bình nhỏ Có như vậy các chi tiết trên ảnh không bị mất trong quá trình “làm mượt” ảnh

Kỹ thuật lọc trung bình có thể thực hiện thông qua phép lấy tích chập(*) giữa ma trận mặt nạ (mask hay kernel) với ma trận ảnh Dưới đây là 3 ma trận mặt nạ lọc trung bình với khả năng làm mượt ảnh (blurring) giảm dần từ trái qua phải (a→c) Trọng số pixel chính (nằm giữa) càng lớn thì độ làm mượt càng giảm

(a) (b) (c) Nếu ta sử dụng ma trận mặt nạ mô tả hình dạng của phân bố Gaussian 2 chiều thì gọi là lọc Gaussian Dưới đây là mặt nạ Gaussian với độ lệch chuẩn σ = 1 Bộ lọc Gaussian có khả năng giữ lại các chi tiết mép (edge) tốt hơn bộ lọc trung bình ở trên

(*) Phép tính chập: Ma trận mặt nạ sẽ lần lượt “trượt” qua mọi pixel trên ảnh Giá trị của một pixel sau khi bộ lọc “trượt” qua chính là giá trị trung bình có hệ số của tất cả các giá trị pixel nằm trong vùng mặt nạ