Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3d từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG PHẠM VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP TRONG Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG PHẠM VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP TRONG Y TẾ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN TẢO THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân (ngoài những phần tham khảo đã được chỉ rõ) dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Tảo. Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Phạm Văn Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các thầy cô, gia đình, bạn bè. Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn, TS Nguyễn Văn Tảo. Trong suốt hai năm qua, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, động viên và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình giúp tôi nắm rõ mục tiêu và định hướng nghiên cứu trong luận văn. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô giáo của Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã trang bị cho tôi thêm kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường. Cuối cùng, với những tình cảm sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên, động viên, chia sẻ với tôi về mọi mặt giúp tôi hoàn thành khóa học. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của em để đề tài được hoàn thiện hơn Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Phạm Văn Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii MỤC LỤC.............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. vi Chương 1. ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D ......................................... 3 1.1 Ảnh y tế......................................................................................................... 3 1.2 Ảnh cắt lớp .................................................................................................... 4 1.2.1 Lịch sử ra đời ......................................................................................... 4 1.2.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography) .............................. 9 1.2.3 Chuẩn ảnh cắt lớp ................................................................................. 14 1.3 Mô hình 3 chiều và chẩn đoán, khám chữa bệnh .......................................... 21 1.3.1 Một số khái niệm về đồ họa 3 chiều ..................................................... 21 1.3.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3 chiều ............................................. 23 1.4 Bài toán tái tạo mô hình 3 chiều từ ảnh cắt lớp ............................................ 26 Chương 2. KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP ....... 28 2.1 Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp ..................... 28 2.1.1 Cấu trúc mô hình 3D ............................................................................ 28 2.1.2 Phương pháp tổng quát tái cấu mô hình 3D từ tập ảnh cắt lớp .............. 32 2.2 Các kỹ thuật áp dụng tái cấu trúc mô hình 3D............................................. 35 2.2.1 Các kỹ thuật áp dụng trong tiền xử lý ảnh cắt lớp ................................ 36 2.2.2 Phân lớp và xác định biên đối tượng cần tái cấu trúc 3D....................... 40 2.2.3 Xác định tập đỉnh và tập mặt khi tái cấu trúc mô hình 3D .................... 47 2.3 Một số kỹ thuật nâng cao chất lượng mô hình 3 chiều khi tái cấu trúc ........ 49 2.3.1 Kỹ thuật nội suy nâng cao mô hình tái cấu trúc ................................... 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn iv 2.3.2 Một số phương pháp nội suy ............................................................... 50 Chương 3. THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG .................................................. 53 3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng .................................................................. 53 3.2 Công cụ và các bước thực hiện chương trình ............................................... 55 3.3 Một số kết quả thực nghiệm ........................................................................ 59 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT 1 Ký hiệu/ Chữ viết tắt DICOM Viết đầy đủ Digital Imaging and Communications in Medicine Ý nghĩa Tiêu chuẩn để bắt tay, lưu trữ, in ấn và thu/nhận hình ảnh trong y tế Computed Tomography Scanner Chụp cắt lớp vi tính MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp cộng hưởng từ 4 PET Positron Emission Tomography Cắt lớp phát xạ posirtron 5 SPECT Single Photon Emission Chụp cắt lớp điện Computed Tomography toán phát xạ Photon 6 TD 7 CR Computed radiography X quang điện toán 8 DR Direct radiography X quang trực tiếp 9 US Ultrasound Siêu âm 10 PACS Picture Archiving and Hệ thống lưu trữ và truyền Comunication System thông hình ảnh y tế 2 CT 3 Theo dõi Chẩn đoán hình ảnh kết 11 DSA Digital Subtraction Angiography hợp giữa việc chụp Xquang và xử lý số 3-Dimension 3 chiều DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao NNI Natural Neighbor Interpolation Nội suy láng giềng tự nhiên 12 3D 13 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm .......................................................... 4 Hình 1.2. Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT) ........................... 4 Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 .......... 5 Hình 1.4 Bản phác thảo về máy chụp cắt lớp vi tính của Sir Godfrey Hounsfield .... 6 Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên .............................................................. 6 Hình 1.6 Máy CT toàn hân đầu tiên được phát triển................................................. 7 Hình 1.7 Máy CT thế hệ thứ I .................................................................................. 8 Hình 1.8 Máy CT thế hệ thứ II................................................................................. 8 Hình 1.9 Máy CT thế hệ thứ III ............................................................................... 9 Hình 1.10 Máy CT thế hệ thứ IV ............................................................................. 9 Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số......................... 10 Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel) ................................................................................... 10 Hình 1.13 Chụp CT xoắn ốc .................................................................................. 12 Hình 1.14 Nguyên lý chụp CLVT đa dãy đầu thu .................................................. 13 Hình 1.15 Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM [19] ............................................ 14 Hình 1.16 Cấu tạo Data Set ................................................................................... 16 Hình 1.17 Cấu trúc file DICOM ............................................................................ 18 Hình 1.18 Các ứng dụng đồ họa 3 chiều ................................................................ 22 Hình 2.1 Mô hình 3D tim người ............................................................................ 28 Hình 2.2 Một mặt của hình hộp được tạo bởi 2 mặt tam giác ................................. 31 Hình 2.3 Mô hình 3D thu được từ tập đỉnh: VertexList , tập mặt: FaceList, tập UV: UVs ....................................................................................... 32 Hình 2.4 Ảnh chụp cắt lớp theo không gian hai chiều ............................................ 33 Hình 2.5 Ảnh mô phỏng các lát cắt xếp liên tiếp nhau[21] ..................................... 34 Hình 2.6 Quy trình hiển thị đối tượng 3D .............................................................. 35 Hình 2.7 Ảnh chụp chiếu trước và sau tiền xử lý ................................................... 40 Hình 2.8 Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn .................................................. 44 Hình 2.9 Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn làm rõ xương ............................ 44 Hình 2.10 Ảnh chụp chiếu sau phân đoạn làm rõ xương và loại bỏ nhiễu .............. 45 Hình 2.11 Ảnh chụp chiếu áp dụng tìm biên .......................................................... 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.12 Tập các đỉnh biên được xếp chồng lên nhau tạo thành tập đỉnh của mô hình 3D................................................................................................. 47 Hình 2.13 Biểu diễn tập đỉnh trên mặt phẳng ......................................................... 48 Hình 3.1 Giao diện chung chương trình tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp........ 55 Hình 3.2 Mở thu mục chứa định dạng ảnh ............................................................. 56 Hình 3.3 Lựa chọn thư mục lưu tập ảnh trên máy tính ........................................... 56 Hình 3.4 Lựa chọn tập ảnh DICOM ....................................................................... 57 Hình 3.5 Quan sát ảnh DICOM ............................................................................. 58 Hình 3.6 Hình ảnh mô hình 3D thu được từ chương trình dùng trong chẩn đoán. .. 59 Hình 3.7 Bệnh án điều trị nội trú ........................................................................... 61 Hình 3.8 Hồ sơ bệnh án điều trị nội trú .................................................................. 63 Hình 3.9 Gãy xương gò má và xoang hàm trái trên phim chụp cắt lớp vi tính ........ 63 Hình 3.10 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D ................. 64 Hình 3.11 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính.......................................................... 65 Hình 3.12 Bệnh án điều trị nội trú.......................................................................... 66 Hình 3.13 Hồ sơ bênh án điều trị nội trú ................................................................ 68 Hình 3.14 Hình ảnh vỡ xương chẩm trái ................................................................ 68 Hình 3.15 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D................. 69 Hình 3.16 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính.......................................................... 69 Hình 3.17 Bệnh án điều trị nội trú.......................................................................... 70 Hình 3.18 Hồ sơ điều trị nội trú ............................................................................. 71 Hình 3.19 Hình ảnh vỡ xương trên phim chụp cắt lớp vi tính................................. 72 Hình 3.20 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D ................. 72 Hình 3.21 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính.......................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng Công nghệ thông tin trong y học đã mang lại những hiệu quả khả quan. Trong đó, sự ra đời của các thiết bị chẩn đoán hình ảnh như máy chụp cắt lớp vi tính (CT-Scanner), máy chụp cộng hưởng từ (MRI)... đã giúp cho các bác sỹ nâng cao chất lượng khi chẩn đoán và tiên lượng bệnh. Ở nước ta, những thiết bị đó ngày nay đã trở thành những thiết bị được sử dụng rất rộng rãi và thường quy trong các cơ sở Y tế từ các bệnh viện tuyến Trung ương tới tuyến huyện, xã. Các máy chụp CT-Scanner, MRI dựa trên các nguyên lý ghi hình khác nhau nhưng đều mang lại dữ liệu là thông tin hình ảnh 3 chiều của đối tượng khảo sát. Những dữ liệu trên sẽ được chuyển cho máy vi tính xử lý để xây dựng lại mô hình giống như nguyên mẫu. Việc tạo dựng hình ảnh 3 chiều sẽ mang lại những hình ảnh trực quan, những góc nhìn của một hay nhiều bộ phận liên quan; giúp cho bác sỹ có cái nhìn chi tiết của các tổn thương, các cấu trúc giải phẫu, từ đó đem lại hiệu quả cho công tác chẩn đoán và điều trị bệnh. Trên thế giới việc tái tạo ảnh 3D được phát triển trong khoảng vài chục năm gần đây, có khá nhiều phần mềm thương mại tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt như: 3D-Doctor, eFilm, Vitrea2, DICOMWork… và cài đặt trên hệ thống máy tính của các hãng sản xuất thiết bị với giá thành cao. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu phần mềm nhằm xử lý hình ảnh y tế còn là lĩnh vực mới và chỉ có một vài nghiên cứu nhỏ được công bố. Kinh phí dành cho y tế còn hạn hẹp nên hiện nay các bệnh viện nhỏ, bệnh viện địa phương không đủ khả năng trang bị những thiết bị chẩn đoán hình ảnh vì giá thành thiết bị và phần mềm chuyên dụng rất đắt. Hình ảnh ba chiều ngày càng chiếm vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị, nghiên cứu về hình ảnh y tế là lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật y sinh. Việc nghiên cứu thuật giải tạo dựng hình ảnh ba chiều cụ thể là từ ảnh chụp cắt lớp trong y khoa nhằm xây dựng lý thuyết và ứng dụng phục vụ trong công tác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 2 chuẩn đoán, điều trị bệnh tốt hơn. Vì vậy bài toán đặt ra là “Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế”. Là bài toán thực tiễn có nhiều ý nghĩa, cần được đầu tư nghiên cứu, tìm hiểu. Nội dung luận văn bao gồm ba chương:  Chương 1: ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D Chương này tổng quan về ảnh y tế và ứng dụng trong khám chữa bệnh, giới thiệu hệ thống máy chụp cắt lớp và mô hình 3D trong chẩn đoán, khám chữa bệnh tại Bệnh viện  Chương 2: KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp  Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 3 Chương 1 ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D 1.1 Ảnh y tế Ảnh y tế là kĩ thuật và quá trình được sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ thể con người hoặc bộ phận cơ thể người phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận lâm sàng nhu cầu chẩn đoán, kiểm tra bệnh hoặc khoa học y tế (bao gồm cả giải phẫu và sinh lý). Hình ảnh y tế đề cập đến một số kỹ thuật có thể được sử dụng như là phương pháp không xâm lấn nhìn vào bên trong cơ thể. Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng. Trong chẩn đoán cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ những thiết bị chẩn đoán hình ảnh y học[10] (máy y tế) ngày càng chiếm một vai trò quan trọng. Nhất là ngày nay với sự trợ giúp các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ giúp cho tái hiện lại hình ảnh bên trong cơ thể bệnh nhân để phân biệt các bộ phận và phát hiện các tổn thương. Nó có thể được sử dụng để hỗ trợ chẩn đoán hoặc điều trị các bệnh nội khoa khác nhau. Ngày nay, công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý, điều hành và ứng dụng thành công trong công tác khám chữa bệnh tại các bệnh viên như chụp cắt lớp, siêu âm, mổ nội soi v.v...Chẩn đoán hình ảnh y khoa góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú như chẩn đoán qua hình ảnh X quang, hình ảnh siêu âm, nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hưởng từ. Một số ảnh y tế qua các phương pháp chẩn đoán Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 4 Hình 1.1. Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm Hình 1.2. Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT) Điều đáng quan tâm ở đây là những hình ảnh này không phải là các định dạng ảnh thông thường như: jpg, bitmap, gif... mà nó được định dạng theo chuẩn. Từ các hình ảnh có được qua các phương pháp không xâm lấn, các bác sĩ sẽ có thể để chẩn đoán, điều trị và chữa bệnh mà không gây ra bất kỳ tác dụng phụ có hại. Việc sử dụng các hình ảnh y tế đã cho phép các bác sĩ để xem được các bộ phận các tạng hay tổn thương bên trong bệnh nhân mà không cần phải đến phẫu thuật mở. Hình ảnh y tế cũng giúp chúng ta tìm hiểu thêm về sinh học thần kinh, hành vi của con người và mang đến cho các nhà khoa học từ sinh học, hóa học, vật lý liên kết với nhau và các công nghệ phát triển, thường có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. 1.2 Ảnh cắt lớp 1.2.1 Lịch sử ra đời Thiết bị chụp cắt lớp vi tính (CLVT) - Còn gọi là chụp cắt lớp điện toán ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 5 đời là kết quả của nhiều phát minh quan trọng về vật lý và toán học có liên quan từ nhiều năm trước: - Năm 1917, nhà toán học người Đức tên là Radon đã tìm ra cơ sở toán học của việc tái tạo cấu trúc của một vật thể 3 chiều trong không gian dựa trên vô số những hình chiếu của vật thể đó. - Năm 1963, Cormack là một kỹ sư vật lý người Mỹ phát minh ra nguyên lý tái tạo cấu trúc vật thể theo phương pháp chiếu xạ bằng Cobalt 60. - Năm 1967, dựa trên nguyên tắc vật lý trên đây của Cormack, một kỹ sư người Anh tên là Hounsfield đã tái tạo thành công cấu trúc của vật thể bằng phương pháp chiếu qua vật thể bức xạ tia X (tia Roentgen). Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 6 Hình 1.4 Bản phác thảo về máy chụp cắt lớp vi tính của Sir Godfrey Hounsfield Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên Năm 1970, Nhận thấy các hạn chế của phương pháp chụp X quang thông thường và kỹ thuật chụp tomography, kết hợp với hiểu biết về tia X đã được nghiên cứu trước đó, Sir Godfrey Hounsfield và Cormack độc lập nghiên cứu và tìm ra kỹ thuật chụp của máy CT. Ứng dụng đầu tiên của máy CT là chụp não. Nhờ phát minh này, họ đã cùng nhau chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1979. Năm 1974, DR. ROBERT LEDLEY phát triển máy CT toàn thân đầu tiên trên thế giới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 7 Hình 1.6 Máy CT toàn hân đầu tiên được phát triển Quá trình phát triển: Năm 1967 Housfield (Anh) dựa trên nguyên lý tạo ảnh đã thiết kế được một thiết bị dùng tia X-quang để đo những vật thể thí nghiệm bằng các chất nhân tạo và lập được chương trình cho máy tính ghi nhớ và tổng hợp kết quả. Ngày 1.10.1971 Housfield và Ambrose (Anh) đã cho ra đời chiếc máy chụp cắt lớp vi tính sọ não đầu tiên. Thời gian chụp và tính toán cho một quang ảnh lúc này cần 2 ngày. Năm 1974 Ledley (Mỹ) hoàn thành chiếc máy chụp cắt lớp vi tính (CT scanner) toàn thân đầu tiên, thời gian chụp một quang ảnh mất vài phút. Và đến năm 1977 trên thị trường thế giới xuất hiện loại máy chụp CTscan với thời gian chụp một quang ảnh chỉ 20 giây. Cho đến nay đã có 4 thế hệ máy chụp CTscan ra đời. - CT thế hệ 1: chùm tia song song; nguồn, detector tịnh tiến và quay: máy có một đầu dò, sử dụng nguyên tắc quay và tịnh tiến. Chùm tia X-quang cực nhỏ chiếu qua cơ thể tới đầu dò để thu nhận kết quả. Bóng phát tia X phải quay quanh cơ thể 1800 để hoàn thành một lớp cắt. Khi quay 10 thì phát tia và quét ngang cơ thể để đo, một quang ảnh mất vài phút. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 8 Hình 1.7 Máy CT thế hệ thứ I - CT thế hệ 2: chùm tia xẻ quạt; mảng detector tuyến tính; nguồn, detector tịnh tiến: máy có nhiều đầu dò, sử dụng theo nguyên tắc quay và tịnh tiến. Chùm tia Xquang có góc mở 100, đối diện có một nhóm 5-50 đầu dò. Do chùm tia X rộng hơn, nên giảm được số lần quét ngang. Thời gian chụp một quang ảnh từ 15-20 giây Hình 1.8 Máy CT thế hệ thứ II - CT thế hệ 3: chùm tia xẻ quạt; cung detector; nguồn, detector chỉ quay: máy có nhiều đầu dò (200-600 đầu dò), sử dụng nguyên tắc quay đơn thuần. Chùm tia X có góc mở rộng hơn, chùm hết phần đầu dò quay cùng chiều với bóng phát tia và ghi kết quả. Thời gian chụp một quang ảnh từ 1-4 giây, độ mỏng lớp cắt đạt 2mm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 9 Hình 1.9 Máy CT thế hệ thứ III - CT thế hệ 4: chùm tia xẻ quạt; vòng detector; nguồn quay: máy có hệ thống đầu dò tĩnh, cố định vào 3600 của đường tròn, số lượng đầu dò lên tới 1000. Bóng phát tia X-quang quay quanh trục cơ thể và phát tia. Thời gian chụp một quang ảnh đạt tới 1 giây, thuận lợi cho khảo sát các tạng chuyển động. Loại máy cực nhanh với thời gian cần cho một quang ảnh chỉ 0,1 giây, hoặc chụp cine CTscan được dùng trong chẩn đoán tim mạch. Hình 1.10 Máy CT thế hệ thứ IV 1.2.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography)  Nguyên lý chung Nguyên lý chụp CLVT dựa trên phép đo tỷ trọng[21]. Trong cơ thể con người mỗi cơ quan khác nhau sẽ có khả năng hấp thụ tia X khác nhau. Căn cứ vào việc tính toán chỉ số hấp thụ này (dựa trên đo và tính toán hệ số suy giảm cường độ tia X Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 10 sau khi đi qua phần cơ thể) bằng các đầu dò (Detector) mà máy tính tạo ra được hình ảnh của cơ quan cần thăm khám. Nguyên lý tạo ảnh của chụp CLVT[18] là dựa trên công nghệ kỹ thuật số. Các lát cắt ngang qua vùng cơ thể cần được khảo sát được phân tích thành nhiều khối nhỏ. Các khối riêng lẻ này được gọi là các phần tử thể tích hay khối thể tích mô. Thành phần, độ dày của của khối thể tích mô cùng với tính chất chùm tia X sẽ xác định mức độ hấp thu tia X của các khối này.  Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số Các dữ liệu số về sự hấp thu tia X của các khối thể tích mô được máy tính chuyển thành các độ xám khác nhau của các phần tử hình hay điểm ảnh trên hình. Trong một đơn vị thể tích nếu có số các đơn vị ảnh càng nhiều (Pixel) thì độ phân giải của nó càng cao. Pixel aspect ratio PAR=x/y=4:3 x: pixel width y: pixel height Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel) Mỗi điểm ảnh là một đơn vị thể tích có chiều rộng (x) và chiều cao (y) Các đơn vị thể tích được mã hoá các thông số về đặc điểm tỉ trọng, vị trí (toạ độ) và được máy tính ghi lại. Sau đó máy tính dựng lại hình ảnh của mặt cắt dựa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn 11 trên các thông số đã ghi của các đơn vị thể tích để tạo ra hình ảnh của cấu trúc trên lớp cắt. Phương pháp này cho phép phân biệt các cấu trúc cơ thể trên cùng một mặt phẳng có độ chênh lệch tỉ trọng 0,5%. Nếu số điểm ảnh càng nhiều (các đơn vị thể tích càng nhỏ) thì hình ảnh càng mịn (ảnh càng nét). Số lượng điểm ảnh được gọi là độ phân giải của ảnh. Như vậy độ phân giải càng cao thì ảnh càng nét, cho phép phân biệt ranh giới giữa các cấu trúc càng rõ và cho phép phát hiện được các tổn thương có cấu trúc nhỏ. Thành phần chính của máy CT là một bóng phát tia X và bộ phận thu nhận tín hiệu (detectors), được đặt trong một khoang máy hình tròn (gantry) ở vị trí đối diện nhau và có thể quay quanh cơ thể bệnh nhân. Bóng phát tia X được coi là “trái tim” của máy. Một chùm tia X rất hẹp phát ra từ bóng, xuyên qua một phần cơ thể và được bộ phận thu nhận tín hiệu tiếp nhận. Bộ phận tiếp nhận này bao gồm một hay nhiều dãy đầu thu, được cấu tạo bằng các tinh thể nhấp nháy hay các buồng ion hóa, cho phép lượng hóa sự suy giảm của tia X sau khi đi qua cơ thể. Độ nhạy của các đầu thu cao hơn rất nhiều so với phim X-quang. Hệ thống máy tính sẽ biến đổi các thông tin lượng hóa này thành hình ảnh. Cơ quan hay tổ chức nào của cơ thể có mức độ cản tia nhiều (xương, răng, sỏi, vôi hóa, máu xuất huyết...) sẽ có màu trắng và ngược lại nếu cản tia ít sẽ có màu tối (mỡ, dịch, phổi, khí...). CT xoắn ốc Thuật ngữ “CT xoắn ốc” (helical hay spiral CT) được dùng để chỉ các máy CT có thể chụp theo chế độ xoắn. Cho đến thời điểm hiện nay, tất cả các máy CT đều có thể đồng thời chụp theo hai chế độ: Cắt trục (axial) và cắt xoắn ốc. Cắt trục là khi bóng quay, bàn di chuyển từng nấc và bóng sẽ phát tia khi bàn dừng chuyển động. Chế độ cắt trục thường phục vụ cho các kỹ thuật xạ trị, GammaKnife và CyberKnife với mục đích là hình ảnh sau chụp có độ chính xác cao, không chịu ảnh hưởng của chuyển động bệnh nhân. Nhược điểm của chế độ này là chụp chậm, theo từng nấc chuyển động của bàn, bắt đầu từ đỉnh cho tới đáy của cơ quan thăm khám, bờ ngoài của hình ảnh dựng 2D hay 3D có dạng bậc thang . Cắt xoắn ốc là khi bóng quay và phát tia, bàn di chuyển liên tục, quỹ đạo của bóng so với cơ thể bệnh nhân là một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. lrc.tnu.edu.vn