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.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. Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm Hình 1. 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.2 Ảnh cắt lớp 1.1 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.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).3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.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. 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.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.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.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 X- quang 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.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.10 Máy CT thế hệ thứ IV 1.2 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.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.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.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.
