Tài liệu Tìm hiểu sơ lược về máy CT scanner

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ************ BÁO CÁO HỆ THỐNG THÔNG TIN Y TẾ Đề tài: Tìm hiểu sơ lược về máy CT scanner Giảng viên hướng dẫn: ThS.Hoàng Quang Huy Sinh viên thực hiện: Nhóm 13 Trương Văn Gia Đặng Thị Hằng Phạm Đình Hoàng Hoàng Nam Phong Hà Nội, 3/2013 20090844 20091009 20091173 20092004 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 2 DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................................... 3 LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 4 I. Lịch sử, quá trình phát triển................................................................................................ 5 I.1. Lịch sử hình thành ....................................................................................................... 5 I.2 Quá trình phát triển ...................................................................................................... 7 I.2.1 Các thế hệ máy CT từ 1970 đến nay ..................................................................... 7 I.2.2 Cải tiến về công nghệ, các phương pháp chụp ..................................................... 8 II. Ưu điểm của chụp CT .................................................................................................... 11 III. Cấu tạo ........................................................................................................................... 12 III.1 Sơ đồ khối ................................................................................................................ 12 III.2 Chi tiết các khối ....................................................................................................... 13 III.2.1 Khối chụp ảnh .................................................................................................. 13 III.2.2 Khối máy tính ................................................................................................... 14 III.2.3 Hiển thị, lưu trữ và ghi ảnh .............................................................................. 14 III.2.4 Khối thu nhận dữ liệu(DAS) ............................................................................ 14 III.2.5 Gantry............................................................................................................... 15 IV. Nguyên lý tái tạo ảnh ..................................................................................................... 17 V. Ứng dụng ......................................................................................................................... 22 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 26 2 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1. 1 Bản phác thảo của Sir Godfrey Hounsfield về máy CT ..................................5 Hình 1. 2 Máy CT đầu tiên ..............................................................................................6 Hình 1. 3 Máy CT toàn thân đầu tiên được phát triển .....................................................6 Hình 1. 4 Máy CT thế hệ I ...............................................................................................7 Hình 1. 5 Máy CT thế hệ II .............................................................................................7 Hình 1. 6 Máy CT thế hệ III ............................................................................................7 Hình 1. 7 Máy CT thế hệ IV ............................................................................................8 Hình 1. 8 Kỹ thuật chụp CT thông thường ......................................................................8 Hình 1. 9 Kỹ thuật chụp CT xoắn ốc ...............................................................................9 Hình 1. 10 CT đa detector ...............................................................................................9 Hình 1. 11 CT chùm electron ........................................................................................10 Hình 2. 1 Nguyên lý chụp X quang và CT .................................................................... 11 Hình 3. 1 Sơ đồ khối máy chụp cắt lớp CT ...................................................................12 Hình 3. 2 Hình ảnh máy chụp cắt lớp CT trên thực tế ..................................................12 Hình 3. 3 Khối chụp ảnh................................................................................................13 Hình 3. 4 Cấu tạo bóng X quang trong máy chụp cắt lớp CT .......................................14 Hình 3. 5 Công nghệ thu nhận dữ liệu...........................................................................15 Hình 3. 6 Các thiết bị bên trong gantry .........................................................................15 Hình 4. 1 Cơ sở tái tạo ảnh CT ......................................................................................17 Hình 4. 2 Ý tưởng về tái tạo ảnh của máy chụp cắt lớp CT ..........................................18 Hình 4. 3 Tái tạo ảnh theo thuật toán số học ART ........................................................19 Hình 4. 4 Tái tạo ảnh bằng phương pháp chiếu lại đơn giản – Hình ảnh kèm nhiễu hình sao ..................................................................................................................................20 Hình 4. 5 Một dạng phổ biến của hàm số lọc ................................................................21 Hình 5. 1 Ứng dụng trong chụp thận .............................................................................22 Hình 5. 2 Ứng dụng trong chụp phổi .............................................................................23 Hình 5. 3 Ứng dụng chụp mạch máu 3D .......................................................................23 Hình 5. 4 Ứng dụng trong dựng ảnh 3D ........................................................................24 3 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ hộ trợ khám, chữa bệnh, lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh cũng liên tục được cải tiến nhằm đáp ứng các nhu cầu chẩn đoán của nền y học hiện đại. Trong các dòng máy phục vụ chẩn đoán hình ảnh, máy CT scanner đóng một vai trò quan trọng không thể phủ nhận. Máy CT là sự cân bằng giữa giá thành và chất lượng hình ảnh. Nó có thể tạo ra các hình ảnh cắt lớp, 3D sắc nét vượt trội hơn rất nhiều so với phương pháp X quang thông thường, có thể so sánh với kỹ thuật chụp cộng hưởng từ nhưng lại có giá thành rẻ hơn nhiều. Hơn 40 năm phát triển, máy CT đang là loại máy rất phổ biến trên thị trường. Chính vì những lý do đó, nhóm em đã quyết định chọn đề tài tìm hiểu về máy CT scanner cho đề tài giữa kỳ của mình. Trong khuôn khổ môn học, bài báo cáo của nhóm hy vọng mang đến cho người đọc những khái niệm, hiểu biết cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy chụp cắt lớp - CT scanner. Nhóm sinh viên 4 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner I. Lịch sử, quá trình phát triển I.1. Lịch sử hình thành Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, sau khi rời phòng thí nghiệm một quãng, sực nhớ quên chưa ngắt cầu dao điện cao thế dẫn vào ống tia catod, Wilhelm Conrad Röntgen quay lại phòng và nhận thấy một vệt sáng màu xanh lục trên bàn tuy phòng tối om. Với đầu óc nhạy bén, đầy kinh nghiệm của một nhà vật lý học, việc này đã lôi cuốn ông và 49 ngày sau ông liên tục ở lỳ trong phòng thí nghiệm, cơm nước do bà vợ tiếp tế, mỗi ngày ông chỉ ngừng công việc nghiên cứu ít phút để ăn uống, vệ sinh và chợp mắt nghỉ ngơi vài giờ. Nhờ thế, ông đã tìm ra tính chất của thứ tia bí mật mà ông tạm đặt tên là tia X và mang lại cho ông giải Nobel về vật lý đầu tiên vào năm 1901. 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. Hình 1. 1 Bản phác thảo của Sir Godfrey Hounsfield về máy CT 5 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 1. 2 Máy CT đầu tiên Năm 1974, DR. ROBERT LEDLEY phát triển máy CT toàn thân đầu tiên trên thế giới Hình 1. 3 Máy CT toàn thân đầu tiên được phát triển 6 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner I.2 Quá trình phát triển I.2.1 Các thế hệ máy CT từ 1970 đến nay Từ khi được tìm ra, Máy CT đã trải qua nhiều cải tiến, phát triển với 4 thế hệ máy CT.
CT thế hệ 1: chùm tia song song; nguồn, detector tịnh tiến và quay . Hình 1. 4 Máy CT thế hệ I
CT thế hệ 2: chùm tia rẻ quạt; mảng detector tuyến tính; nguồn, detector tịnh tiến và quay .
CT thế hệ 3: chùm tia rẻ quạt; cung detector; nguồn, detector chỉ quay . Hình 1. 5 Máy CT thế hệ II Hình 1. 6 Máy CT thế hệ III 7 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner
CT thế hệ 4: chùm tia rẻ quạt; vòng detector; nguồn quay . Hình 1. 7 Máy CT thế hệ IV I.2.2 Cải tiến về công nghệ, các phương pháp chụp
CT thông thường( thế hệ I, II) Hình 1. 8 Kỹ thuật chụp CT thông thường - Ống phát tia X quay quanh trục (0,5 hoặc 1 độ). - Chùm tia X được chuẩn trực thành có hình rẻ quạt phẳng. 8 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner - Các phép chiếu được coi là đồng phẳng trong một lát cắt. Độ dày lát cắt phụ thuộc vào việc chuẩn trực chùm tia.
CT xoắn ốc( thế hệ III, IV) Hình 1. 9 Kỹ thuật chụp CT xoắn ốc - Nguồn, detector quay liên tục; bàn bệnh nhân dịch chuyển liên tụccác phép chiếu được thực hiện dọc theo đường xoắn ốc. - Quét 1 thể tích lớn trong 1 thời gian ngắn. - Phức tạp trong việc tái tạo ảnh. - Được sử dụng để tạo ảnh thể tích 3-D của các cấu trúc trong cơ thể.
CT đa detector( thế hệ II, III, IV) Hình 1. 10 CT đa detector - Sử dụng mảng đa detectornhận được đồng thời nhiều phép chiếu liền kềtốc độ quét tăng. - Độ phân giải không gian đẳng hướng, cao hơn so với các kỹ thuật CT đã có.
CT chùm electron 9 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 1. 11 CT chùm electron - Anode cong 180 độ với nhiều miếng Vonfram. - Chùm tia electron được hội tụ quét nhanh qua các miếng Vonfram và làm phát ra tia X. - Độ phân giải thời gian lớntạo ảnh chuyển động sinh lý trong cơ thể như nhịp đập của tim, sự luân chuyển của dòng máu. 10 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner II. Ưu điểm của chụp CT
Kỹ thuật chụp cắt lớp CT - Nguyên lý giống chụp X-quang thông thường. - Chùm tia X được chuẩn trực. Hình 2. 1 Nguyên lý chụp X quang và CT
Ưu điểm - Hiện tượng xếp chồng được hạn chế nhờ việc quét trong mặt phẳng ngang trục. - Ảnh được tái tạo lại nhờ các thuật toán tái tạo như biến đổi Fourier, biến đổi Radon, thuật toán chiếu ngược, thuật toán ART… - Phân biệt được nhiều loại mô, tế bào hơn X-quang thường ( độ nhạy là 1% so với 10%) - Có thể hiệu chỉnh ảnh sau khi chụp 11 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner III. Cấu tạo III.1 Sơ đồ khối Hình 3. 1 Sơ đồ khối máy chụp cắt lớp CT Hình 3. 2 Hình ảnh máy chụp cắt lớp CT trên thực tế Từ khi ra đời tới nay, trải qua nhiều sự thay đổi, cải tiến, tuy nhiên máy cắt lớp CT về cơ bản vẫn được chia làm bốn thành phần chính là: - Khối chụp ảnh - Khối máy tính - Khối hiển thị, lưu trữ, ghi dữ liệu - Khối thu nhận dữ liệu 12 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner III.2 Chi tiết các khối III.2.1 Khối chụp ảnh Hình 3. 3 Khối chụp ảnh Nhiệm vụ chính của khối này là: - Tạo tia X - Định dạng chùm tia X - Lọc chùm tia X loại bỏ tia X mềm Có cấu tạo cơ bản bao gồm một bóng phát tia X quang và một hay nhiều detector tùy thuộc vào thế hệ máy như thế hệ I chỉ có 1 detetor, thế hệ II, III có nhiều detetor và đặc biệt số lượng detetor ở thế hệ thứ IV lên tới 4800 detector được phân bố đều trên một vòng tròn cố định. Bóng X quang của Máy CT không khác nhiều so với bóng X-quang của máy X quang thông thường. Hoạt động ở điện áp giữa hai cực anode va catode cỡ 80-150 KV. Có catốt làm bằng tungsten pha trộn Mo. Bóng được bọc một lớp chì để đảm bảo an toàn và có tấm lọc cũng như mọt collimater trước ngõ ra của chùm tia X để loại bỏ các tia X mềm và định dạng chùm tia X 13 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 3. 4 Cấu tạo bóng X quang trong máy chụp cắt lớp CT III.2.2 Khối máy tính Thành phần chính là một minicomputer có cấu hình tương đối cao cỡ GHz nhằm mục đích: - Tái tạo và xử lý ảnh - Điều khiển toàn bộ các thiết bị Scan - Điều khiển quá trình thu nhận dữ liệu, xử lý và hiển thị - Định hướng dòng dữ liệu III.2.3 Hiển thị, lưu trữ và ghi ảnh Nhiệm vụ vủa khối này là: - Hiển thị ảnh - In ảnh - Lưu trữ để truy xuất những lần sau - Hỗ trợ gửi dữ liệu ảnh tới các máy trong mạng III.2.4 Khối thu nhận dữ liệu(DAS) Đây là khối đóng vai trò rất quan trọng trong máy CT. Nó là cầu nối trung gian giữa các detector và hệ thống máy tính trung tâm. Khối này thu nhận tín hiệu các trung thực, càng chi tiết sẽ tạo tiền đề cho quá trình xử lý của hệ thống máy tính đem lại một kết quả rõ ràng và chính xác hỗ trợ cho công việc chẩn đoán. 14 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 3. 5 Công nghệ thu nhận dữ liệu III.2.5 Gantry Hình 3. 6 Các thiết bị bên trong gantry Là bộ phận “ đồ sộ nhất” của máy CT scanner nó chứa đựng các bộ phận quan trọng của máy CT như: - CT X-ray tube - High voltage generator: Trong các thế hệ máy CT cũ, bộ phận này được tách riêng ra khỏi máy và đặt trong High voltage tank sau đó tiếp điện cao áp đến máy qua dây cáp. Điều này gây trở ngại cho chuyển động quay của bóng và tương đối nguy hiểm. Khi công nghệ chế tạo phát triển, khối này trở nên nhỏ 15 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner gọn và được tích hợp trong gantry để quay cùng với bóng X quang ở các thế hệ máy thứ III và IV. - Detector array: Cũng như khối High voltage generator, khối này có nhiều thay đổi theo thời gian. Ban đầu, Máy CT chỉ có một detector chuyển động song song và quay cùng bóng X quang. Tới thế hệ thứ II và III, số lượng detector đã được tăng lên và cách thức chuyển động cũng được cải tiên. Ở thế hệ IV, số lượng detetor là 4800 detetor! Và chúng được bố trí cố định trên một vòng dạng nhẫn trong gantry. - Data acquistion system - Slip ring: là một thiết bị để đưa điện áp cấp từ nguồn tới bóng X quang. Khi khối High voltage generator được tích hợp vào gantry, vòng slip ring đã trở nên an toàn hơn trước rất nhiều khi nó chỉ phải chuyển tiếp điện áp 220V hay 380V thay vì điện áp cỡ kV như trước. 16 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner IV. Nguyên lý tái tạo ảnh Máy chụp cắt lớp CT tái tạo ảnh dựa trên “hình chiếu” mà các detector thu được. Các detector có nhiệm vụ thực chất là đo mức độ suy hao của tia X sau khi đi qua cơ thể bệnh nhân. Tại mỗi góc chụp, tia X đi theo các con đường khác nhau qua cơ thể bệnh nhân và bị suy hao khác nhau. Các detector ở các vị trí khác nhau thu nhận được sự suy giảm khác nhau của tia X. Sau đó qua hệ thống thu nhận dữ liệu sự khác nhau này được chuyển về hệ thống máy tính để thông qua các thuật toán cụ thể tái tạo lại ảnh lắt cắt với mức độ xám khác nhau cho từng điểm ảnh cũng như tính toán vị trí của các điểm ảnh một cách chính xác. Trước khi tái tạo, phép chiếu sẽ được trộn với các hàm lọc sau bước tiền xử lý trước khi được xếp chồng trở lại ma trận. Hình 4. 1 Cơ sở tái tạo ảnh CT Ý tưởng cơ bản để giải quyết bài toán tái tạo ảnh của máy CT xuất phát từ sự khác nhau về mức độ suy hao của tia X khi đi qua cơ thể bằng những con đường khác nhau mà các detector có thể phát hiện được. Giả sử ở mỗi góc độ, vị trí các detector cho chúng ta một “ hàm” hay một “phương trình” biểu diễn mức độ suy hao của tia X thì bằng cách tổng hợp và giải hệ các “ phương trình” này ta sẽ thu được giá trị mức xám và vị trí tương ứng của các điểm ảnh. Số “ phương trình” mà các detector thu được hay nói một cách khác là số góc quay khác nhau mà máy chụp cắt lớp CT thực hiện khi chụp ảnh sẽ quyết định độ phân giải của ảnh. Điều này giải thích vì sao ở thế hệ máy CT đầu tiên (có một detector và bóng X quang quay khoảng 0.5 đến 1 độ mỗi lần chụp), ta chỉ thu được ảnh 64x64 còn với loại máy thế hệ IV( có tới 4800 detector) ta có thể thu được ảnh với độ phân giải 512x512. 17 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 4. 2 Ý tưởng về tái tạo ảnh của máy chụp cắt lớp CT Các thuật toán
Thuật toán số học (ART) Đây là phương pháp tái tạo xưa nhất. Với phương pháp này, đối tượng ảnh được xem như bao gồm nhiều đối tượng hình vuông. Một số hữu hạn ảnh điểm tương ứng với số lượng gần đúng dữ liệu đo được. Nguyên lý: 1. Trong một chu kỳ lặp lại, những dữ liệu của 1 ảnh được tái tạo gần đúng sẽ được đem so sánh với dữ liệu thực theo cùng phương chiếu và cùng số phần tử nằm trên phương chiếu. 2. Sự chênh lệch – hiệu số cua hai tập dữ liệu sẽ được chiếu ngược lại vào ma trận ảnh để tạo ra ảnh gần đúng. 3. Khi toàn bộ các tập dữ liệu từ các hướng chiếu đã được sử dụng, một chu kỳ lặp lại đã được hoàn tất và một chu kỳ tính toán lặp mới được bắt đầu sử dụng kết quả của chu kỳ lặp trước. Ví dụ: tạo ảnh một” đối tượng” chỉ bao gồm 9 điểm ảnh – ma trận (a) với các độ suy giảm tương ứng là 2,9,4, 4, 9, 2 , 1, 5, 0. Sau 4 lần quét ngang, dọc và chéo ta thu được các tập dữ liệu tương ứng | 15, 15, 6| |1, 9, 11, 11, 4| |7, 23, 6| |2, 13, 14, 7, 0|. Dựa trên nguyên tắc này, bắt đầu từ tập dữ liệu chiếu nganh trên hình 21, vì số lượng phần tử theo hướng chiếu này là 3 cho mọi phép chiếu nên từng số đo của tập dữ liệu này sẽ được chia 3 rồi chiếu lại vào ma trận rỗng cũng gồm 9 phần tử, kết quả có được ma trận ảnh (b). 18 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Hình 4. 3 Tái tạo ảnh theo thuật toán số học ART Sau tập dữ liệu ngang là tập dữ liệu chéo phải, vì vậy ta chiếu chéo phải ma trận ảnh (b) và nhận được dữ liệu gồm 5 phần từ | 2, 7, 12, 10, 5|. Lấy hiệu của tập dữ liệu chéo phải gốc với tập dữ liệu này ta được một tập dữ liệu chéo phải mới | -1, 2, -1, 1, -1|, chia từng giá trị của tập dữ liệu mới này cho số phần tử nằm trên đường chéo phải rồi cộng với từng phần tử nằm trên đường chéo của ma trận (b) sẽ được ma trận (c) Bây giờ sẽ sử dụng tập dữ liệu số đo theo chiều dọc, lấy hiệu của hai tập dữ liệu gốc và tập dữ liệu từ ma trận (a) được tập dữ liệu | -4.7, 9.8, -5.2|, chia từng giá trị của tập giữ liệu mới này cho 3 rồi cộng với từng phần tử nằm trên đường chiếu dọc tương ứng của ma trận (a) ta được ma trận (d). Tiếp đến sử dụng tập dữ liệu chéo trái theo phương pháp tương tự và có được kết qua của chu kỳ tính lặp lần 1 như ma trận (e) 19 Sơ lược về máy cắt lớp điện toán CT scanner Một số giá trị trong ma trân (e) chưa thỏa mãn độ chính xác vì vậy phải thực hiện một số chu kỳ lặp tiếp theo, xuất phát từ dữ liệu của ma trận kết quả của chu kỳ lặp trước. kết quả sau 3 chu kỳ lặp đạt được ma trận (g) có thể xem là thỏa mãn. Sai số rất nhỏ so với tập dữ liệu gốc, phản ánh trung thực hình ảnh đối tượng.
Phương pháp tái tạo ảnh tích phân Phương pháp này dựa trên cơ sở của việc chiếu lại những dữ liệu thu được từ các phép chiếu vào ma trận để tái tạo ảnh. Tuy nhiên nếu chỉ đơn giản đặt chồng những dữ liệu riêng rẽ vào ma trận ảnh thì hình ảnh tạo ra sẽ đem theo nhiễu dưới dạng các bóng mờ. Để khử bóng mờ này, các dữ liệu của từng phép chiếu sẽ được xử lý bởi một hàm lọc số theo một phương pháp đặc biệt gọi là thuật toán cuộn trước khi được xếp chồng trở lại vào ma trận. Hình 4. 4 Tái tạo ảnh bằng phương pháp chiếu lại đơn giản – Hình ảnh kèm nhiễu hình sao Nguyên lý: Hàm số lọc thực chất là một phần mềm có chức năng như một bộ lọc, được thiết kế phù hợp vớ các loại đối tượng như xương, sọ não, ổ bụng… Hiện nay, hầu hết các máy CT đều ứng dụng loại hàm số lọc có dạng đường dốc và có chứa các thành phần dương và âm. Các đỉnh của đường biểu diễn hàm số theo vị trí không gian được chọn trùng với vị trí của các phép chiếu cận kề. Bởi vậy, dữ liệu được xử lý bởi hàm số lọc sẽ mang cả thành phần âm và dương và sẽ bù trừ các thành phần tín hiệu gây nhiễu. Nếu hàm lọc được chọn lựa thích đáng thì có thể tái tạo được ảnh không còn bị nhiễu. 20