Chương 1. TỔNG QUAN CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH Mục tiêu học tập 1. Trình bày được lịch sử phát triển của ngành Chẩn đoán hình ảnh (CĐHA). Phân tích được nguyên lý vật lý của các kỹ thuật X quang, Siêu âm, trình bày được sơ lược nguyên lý Cắt lớp vi tính và Cộng hưởng từ.
Lịch sử phát triển của ngành chẩn đoán hình ảnh Ngày 8 tháng 11 năm 1895, Wilhelm Conrad Rontgen (1845 - 1923) - giáo sư vật lý lý thuyết Đại học Wuzburrg, Đức, đã công bố khám phá ra tia X, Rontgen đã được trao giải Nobel Vật lý đầu tiên và được xem là ông tổ của ngành chẩn đoán hình ảnh hiện đại. Phim X quang đầu tiên là tấm kính tráng nhũ tương muối bạc, sau nhiều năm được thay thế bằng phim tráng nhũ tương 2 mặt cảm thụ tia X. Trong những thập kỷ từ 1910 - 1920, Bucky - Potter đã cải thiện chất lượng hình ảnh nhờ xóa được các tia khuyếch tán bằng lưới chống mờ. Coolidge, Bowers tạo ra bóng có dương cực quay, tăng tuổi thọ cho bóng X quang.
Vấn đề tương phản luôn được nghiên cứu để cải thiện chất lượng hình ảnh: - Tương phản tự nhiên có 4 đậm độ cơ bản: calci, nước, mỡ, không khí. - Các chất tương phản đã được sử dụng như Bismuth, các muối Iode, không khí được dùng để tăng đối quang cho một số tạng trong cơ thể đã được xử dụng từ những năm 1930. - Khắc phục các chi tiết nằm ở các độ sâu khác nhau bằng chụp nghiêng, chụp chếch, chụp cắt lớp thực hiện giữa năm 1930. - Năm 1950 bóng tăng sáng và tự động hóa chương trình thăm khám ở trong buồng có ánh sáng, truyền hình, quay phim, chụp ảnh.
- Năm 1958, siêu âm bắt đầu áp dụng khám sản phụ sau đó khám bụng. - Năm 1970 phát triển chụp cắt lớp vi tính (CLVT), đến năm 1979 Hounsfield nhận giải Nobel Y học. Đầu tiên ứng dụng CLVT cho đầu, sọ não sau đó toàn cơ thể. Nhờ kỹ thuật số hóa đã mở ra cho hình ảnh X quang một hướng mới, X quang số hóa.
Phim thường chuyển thành phim in bằng tia Laser là tiền đề cho môn Chẩn đoán hình ảnh hiện đại ra đời. Đáng kể là X quang can thiệp hay X quang điều trị cho phép xác định chính xác vị trí chọc dò sinh thiết, dẫn lưu các nang, ổ áp xe, tụ dịch, nong mở các động mạch, đặt các Stent, bịt tắc các nhánh mạch máu đang chảy hoặc mạch nuôi cấp máu cho u. - Hình ảnh Cộng hưởng từ xuất hiện là một cuộc cách mạng trong chẩn đoán hình ảnh. Đến tháng 11 năm 2003 Lauterbur và Mansfield được giải thưởng Nobel Y học.
Bác sĩ chẩn đoán hình ảnh hiện nay không những phải biết vận hành, sử dụng nhiều loại máy móc hiện đại, mà phải có kiến thức cơ bản không những về y khoa mà còn về lý sinh, vật lý, tin học. Sau hơn 100 năm X quang đã trở thành một ngành rộng với kiến thức hiện đại, đòi hỏi nhiều kỹ năng, kỹ xảo. Với hình ảnh X quang mới, các nhà lâm sàng cũng phải nắm được các vấn đề cơ bản, cũng phải được đào tạo lại cách đọc phim với hình ảnh mới. 2 Trong khuôn khổ đào tạo chính quy trên thế giới hiện nay của ngành Chẩn đoán hình ảnh (CĐHA) (Radiology, Diagnostic Imaging, Imagerie Médicale) bao gồm các môn học: - X quang thường quy hay quy ước (Conventional Radiology) gồm các kỹ thuật chẩn đoán dùng tia X từ thời Rontgen ứng dụng cho đến nay vẫn còn một vai trò nhất định trong chẩn đoán hàng ngày.
Một vấn đề thời sự gắn liền với X quang thường quy là X quang kỹ thuật số (Computed Radiography) đang được cập nhật nhằm số hoá các hình ảnh X quang để lưu trữ, xử lý như các ảnh kỹ thuật số khác. - Siêu âm hay siêu âm cắt lớp (Ultrasound, Sonography, Echographie, Echotomographie) bao gồm các kỹ thuật siêu âm cổ điển và hiện đại, yếu tố vật lý cơ bản là áp dụng sóng siêu âm. - Cắt lớp vi tính hay Cắt lớp điện toán (Computed Tomography Scanner - CT, Tomodensitométrie - TDM, Scanographie). Ứng dụng đo tỉ trọng của mô sau khi tia X đi xuyên qua cơ thể, nhờ máy vi tính thu thập dữ liệu, tái tạo ảnh nhờ kỹ thuật số.
- Cộng hưởng từ trước đây còn gọi là cộng hưởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging). Phối hợp sự tính toán của máy vi tính và sự cộng hưởng từ trường có trong nhân H+ của nước trong các mô của cơ thể để tạo ảnh. - Chụp mạch máu và X quang can thiệp (Angiography and Interventional Radiography): Bằng cách đưa các catheter qua đường các mạch máu ta có thể bơm thuốc cản quang để chụp hoặc để can thiệp điều trị một số bệnh. Cũng từ thập kỷ 1970, kỹ thuật số ra đời phát triển nhanh chóng, đã tạo tiền đề cho CĐHA nói chung và chụp mạch máu nói riêng có những thành tựu mới.
Do đó kỹ thuật số hóa hình ảnh thay thế dần các kỹ thuật quy ước, chụp mạch máu có tên mới là “Chụp mạch máu số hóa xóa nền” (Digital Subtraction Angiography - DSA). Qua hình ảnh số hóa, việc xác định xâm nhập vào các mạch máu nhỏ trong cơ thể trở nên dễ dàng và chính xác hơn, nhờ đó các nhà X quang có thể mượn đường các catheter để đưa hóa chất và các vật liệu khác vào tiêu điểm cần can thiệp để điều trị, đó là X quang can thiệp. Chính lĩnh vực này, mà ngày nay người ta có xu hướng xếp khoa CĐHA vào cụm các khoa lâm sàng, chứ không hẳn là khoa Cận lâm sàng như trước. Ngoài ra còn có một số bộ phận chẩn đoán bằng hình ảnh, nhưng không thuộc khoa CĐHA như Nội soi, chụp Nhấp nháy đồng vị phóng xạ (Scintigraphy, Positron Emission Tomography -PET, Single Photon Emission Computed Tomography - SPECT).
Các cơ sở vật lý của CĐHA 1. X quang quy ước 1. Cơ chế phát sinh ra tia X Tia X được tạo ra nhờ chuyển đổi năng lượng từ các hạt electron thành các photon năng lượng (quang năng) bên trong bóng phát tia X, dạng năng lượng mới này được điều chỉnh qua các thông số về điện như: điện thế - KV, cường độ dòng điện - mA, thời gian phát tia X - sec. - Bóng X quang: là một bóng thủy tinh, bên trong là chân không (bóng Coolidge).
Có hai cực: Cực âm: (cathode) được cấu tạo bằng cuộn dây tungsten đặt trong một thanh kim loại có hình chiếc tách được đốt nóng lên bởi nguồn điện từ 6 – 10 vôn, có chức năng cơ bản là tạo ra các hạt điện tử (electron), rồi tập trung lại thành luồng hướng vào đích là cực dương. 3 Cực dương: (anode) hay đối âm cực là thanh kim loại rắn, có độ nóng chảy cao, có số nguyên tử Z lớn như bạch kim (74), wolffram, tungsten - rhenium, molybdenum, Rhodium nối với cực dương của dòng điện có hai chức năng cơ bản là chuyển năng lượng điện thành bức xạ tia X và tải nhiệt. - Sản xuất ra tia X: Khi đốt nóng âm cực tạo ra các hạt điện tử (HĐT), dưới tác dụng của độ chênh điện thế cao ít nhất là 40.000volt, các HĐT bị lực hút kéo về dương cực với vận tốc rất lớn. Khi các HĐT va chạm với cực dương tạo ra nhiệt năng (99%) và bức xạ tia X (< 1%).
Lực gia tốc của các HĐT phụ thuộc vào hiệu số điện thế của dòng điện được tính bằng KV và chất lượng của chùm HĐT phụ thuộc vào cường độ dòng điện tính bằng mA. - Bản chất của tia X: là một bức xạ điện từ, gồm các sóng dao động theo chu kỳ hình sin, cùng nhóm với các sóng vô tuyến điện, ánh sáng, các bức xạ I ông hoá như tia vũ trụ, tia Gamma, các bức xạ đồng vị. Trong số phổ sóng điện từ này ta thấy ở cực cao là tai Hồng ngoại 7200 A0, tiếp đến là ánh sáng trắng 3900 A0, ở cực thấp là tia Vũ trụ, tia X bước sóng từ 5A0 - 0,01 A0, A0 = 10-6cm , tia Gamma có bước sóng từ 0,01 – 0,0001A0. - Tính chất của tia X: + Có khả năng đâm xuyên qua cơ thể người, khả năng này phụ thuộc nhiều vào yếu tố như độ dài sóng của tia, bề dày, trọng lượng nguyên tử của vật.
+ Tia kích sáng một số muối kim loại, ứng dụng để chiếu trên màn huỳnh quang hay trên bóng tăng sáng truyền hình. + Tia có khả năng ion hóa, ứng dụng cho việc chế tạo các buồng đếm, các loại detector đo lường, dùng trong kỹ thuật số. + Tia tác dụng lên nhũ tương trên phim ảnh, đi theo mọi hướng và theo đường thẳng. + Số lượng tia sẽ giảm đi theo tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách.
+ Tia có tác dụng sinh học ứng dụng trong xạ trị liệu, thận trọng đối với các dòng tế bào non, tủy xương tạo huyết, thủy tinh thể, bào thai kỳ đầu. Cơ chế tạo ảnh X quang - Nguyên lý chiếu X quang cổ điển: + Ứng dụng tính chất đâm xuyên qua cơ chất của tia X. + Tính chất suy giảm chùm tia X sau khi đi qua các cơ chất khác nhau. + Tích chất kích sáng muối kim loại trên màn huỳnh quang.
+ Nguyên lý hình chiếu trong không gian ba chiều, cho phép phân tích được hình ánh sáng tối bình thường, bệnh lý các cơ quan trong cơ thể trong buồng tối. - Nguyên lý chiếu X quang tăng ánh sáng truyền hình: Với nguyên tắc như trên, nhưng thay màn huỳnh quang bằng bóng tăng độ sáng. Làm tăng sáng lên hàng ngàn lần, cho phép chiếu được trong buồng ánh sáng thường. - Nguyên lý chụp X quang thường quy: + Ứng dụng tích chất đâm xuyên qua cơ chất của tia X.
+ Nhờ tác dụng của tia X lên nhủ tương có muối Bạc trên phim. + Với kỹ thuật tráng rữa phim và hiệu ứng suy giảm tia X khác nhau sau khi qua các mô khác nhau, ta có hình ảnh trắng đen, xáp trên phim. Độ tương phản của trắng và đen có được ta gọi là độ đối quang (contrast). 4 - Nguyên lý chụp Cắt lớp cổ điển: + Thay vì bóng X quang và phim cố định trong chụp thường quy, trong chụp cắt lớp cổ điển có sự di chuyển đồng bộ ngược chiều giữa bóng và phim để xóa các chi tiết trên và dưới lớp cắt.
Ngày nay người ta bỏ phương pháp này, vì độ phân giải trên hình ảnh rất thấp chất lượng không cao. Chất lượng của hình ảnh X quang Chất lượng hình ảnh Y học nói chung, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp ghi hình, đặc điểm của thiết bị, người vận hành kỹ thuật.