CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài: Ngày nay sự phát triển của khoa học công nghệ đem đến rất nhiều ứng dụng cho lĩnh vực y tế nói chung, chẩn đoán và điều trị bệnh nói riêng, trong đó hệ thống máy CT-Scanner đóng một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quá trình chẩn đoán bệnh của các bác sĩ trong hầu hết các bệnh viện. Sự am hiểu tường tận của kỹ sư trong công tác bảo trì sửa chữa máy đóng góp một phần không nhỏ trong việc giúp bác sỹ đưa ra kết quả chẩn đoán chính xác dựa trên hình ảnh chụp cơ thể bệnh nhân bằng máy cắt lớp điện toán. Mục tiêu của đề tài là thiết kế một hệ thống mô phỏng hoạt động của hệ thống CT-Scanner, trong đó bao gồm các phần cứng cơ bản của thiết bị để mô phỏng việc tạo các ảnh CT-Scan, kèm theo hàng loạt các thí nghiệm mô phỏng hoạt động của CT-Scanner nhằm phục vụ cho quá trình đào tạo các kỹ sư, bác sỹ và kỹ thuật viên mà định hướng trong tương lai là các công việc liên quan đến hệ thống chẩn đoán này.2 Mục tiêu của đề tài: - Mô phỏng sự hoạt động của thiết bị y tế kỹ thuật cao như hệ thống cắt lớp điện toán đa lát cắt. Chế tạo ra một giảng cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy các nguyên lý hoạt động và cấu tạo của CT Scanner.
- Xây dựng các bài thí nghiệm huấn luyện kỹ thuật viên và sinh viên y khoa vận hành một hệ thống thực tế cắt lớp điện toán đa lát cắt cũng như khảo sát xem ảnh CT dạng DICOM và xữ lý ảnh CT. - Đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong việc đào tạo kỹ sư, thạc sỹ ngành vật lý kỹ thuật Khoa Khoa học Ứng dụng ĐHBK tp.3 Nhiệm vụ: Hệ thống được thiết kế bao gồm các bộ phận và đáp ứng được các yêu cầu sau: Gantry: hệ thống gantry phải thực hiện được các nhiệm vụ sau: • Quay gantry và kiểm soát, ổn định tốc độ quay. • Nghiêng gantry và kiểm soát góc nghiêng. • Mô phỏng hoạt động của đầu đèn, dãy đầu dò bao gồm trường quét (FOV), độ dày lát cắt (ST) để mô phỏng chế độ 1, 2, 3, 4 lát cắt.
• Kiểm soát vị trí đầu đèn bằng 4 công tắc hành trình. Bàn bệnh nhân: bàn bệnh nhân phải thực hiện được các nhiệm vụ sau: • Nâng hạ bàn bằng hệ thống thủy lực, có kiểm soát vị trí 3 độ cao. • Đưa bàn vào/ra bằng động cơ bước với các tốc độ khác nhau, kiểm soát vị trí của bàn. • Có các sensor kiểm soát vị trí, các công tắc hành trình để ngắt hệ thống khi có sự cố.
• Đồng bộ với hoạt động của bàn và gantry để thể hiện được các chế độ chụp Scanogram, Standard, Helical. Phần mềm điều khiển: Có nhiệm vụ và chức năng sau • Điều khiển các hoạt động của hệ thống từ máy tính, thông qua chuẩn giao tiếp RS232. • Điều khiển các chế độ chụp Scanogram, Standard, Helical thông qua việc chọn các thông số chế độ chụp, bộ phận chụp, thời gian chụp, FOV, ST … • Thể hiện được sự đồng bộ với hoạt động cơ khí của hệ thống trong việc hiển thị các ảnh chụp Scanogram, Standard, Helical tương ứng với các chế độ chụp, số lát cắt, ST và vùng cơ thể cần chụp. • Có chương trình xem và xử lý ảnh DICOM sau khi chụp hoặc từ một thư mục bất kỳ.
• Quản lý được hệ thống đã kết nối với máy tính hay chưa. Trang 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1 S đ kh i c a h th ng CTScanner Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống CT Hệ thống máy cắt lớp điện toán thường bao gồm các thành phần sau: - Giàn quay (Gantry) - Bàn bệnh nhân (Patient Couch) - Khối điều khiển chuyển động cơ học. - Hệ thống máy tính (Computer System) - Bàn điều khiển (Console) - Hệ thống tạo và điều khiển cao thế (High Tension Generator and Controller) - Máy chụp phim, máy in laser - Ngoài ra, hệ thống còn có thêm các phụ kiện như: đĩa quang từ, nguồn điện dự phòng UPS, ổn áp. Các thành phần cơ bản tạo ảnh của máy CT: - X- ray Tube: ống phát tia X - Colimator: bộ chuẩn trực - X-ray detector: đầu dò tia X - High Voltage Generator: bộ phát cao thế - Data Acquizition System: hệ thống thu nhận tín hiệu - Image Control System (ICS): hệ thống điều khiển hình ảnh - Image Reconstruction System (IRS): hệ thống tái tạo ảnh - Hệ thống Gantry - Patient Couch: bàn bệnh nhân Trang 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT 2.2 Cấu tạo của bóng X quang và phần đầu dò thu tia X Cấu tạo bóng X quang Hình 2.2: Cấu tạo bóng tia X Tim đèn: phát chùm electron đến anode.
Anode: làm bằng vật liệu Vonfram, nối vào cực dương của nguồn cao thế. Cathode: nối với tim đèn và cực âm của nguồn cao thế. Bóng chân không: tạo môi trường hoạt động cho bóng tia X Bộ phận anode xoay và hệ thống tản nhiệt. Thiết kế dải đầu dò Đối với hệ thống CT 4 lát cắt để tạo ra 4 lát cắt đồng thời thì các dải đầu dò được đặt cạnh nhau dọc theo trục z.
Hiện nay trong thiết kế dải đầu dò được chia ra thành hai nhóm: nhóm các chấn tử đầu dò có độ rộng bằng nhau (gọi là đầu dò cố định) và nhóm các kênh đầu dò có độ rộng không bằng nhau (gọi là đầu dò thích ứng). Hiện nay hệ thống CT hãng GE cung cấp dải đầu dò có độ rộng bằng nhau, các hãng khác như Siemens, Toshiba, Hitachi… cung cấp các dải đầu dò có độ rộng không bằng nhau.3: Đầu dò cố định 16 hàng x 4 lát cắt Trang 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT Hình 2.4: Đầu dò thích ứng 8 hàng x 4 lát cắt 2.3 Nguyên tắc hoạt động của máy CT Các quá trình chính trong hoạt động quét CT: + Quá trình quét và thu nhận dữ liệu thô, lưu trữ ở dạng tín hiệu số, + Quá trình tái tạo ảnh từ dữ liệu thô thu nhận được, + Quá trình biến đổi tín hiệu từ ảnh dạng tín hiệu số (digital) sang ảnh dạng tín hiệu tương tự (analog) để chuyển qua thiết bị hiển thị.5: Các quá trình chính trong hoạt động quét CT Trang 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT CHƯƠNG 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 3. Nội dung thiết kế 3.
Hệ thống cơ khí của Gantry và bàn bệnh nhân Gồm hai phần: Gantry và bàn bệnh nhân Hình 3.1: Hệ thống cơ khí của gantry và bàn bệnh nhân Hệ thống cơ khí của gantry gồm hai phần: phần tĩnh và phần động mô phỏng hoạt động quay và nghiêng của gantry thực tế. Phần tĩnh được lắp đặt động cơ DC quay gantry và hệ động cơ DC- Vitme để nghiêng gantry. Phần động được lắp các bộ phận mô phỏng đầu đèn, dãy đầu dò, nguồn cao thế và mạch VĐK.2: Hệ thống mô phỏng điện toán cắt lớp đa lát cắt Trang 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT Hệ thống cơ khí của bàn bệnh nhân được thiết kế với kết cấu tương tự bàn bệnh nhân của máy CT trong thực tế, bao gồm hai kết cấu chính: phần nâng hạ bàn bằng hệ thống thủy lực để đưa bàn đến độ cao mong muốn; phần dịch chuyển vào ra bằng hệ vitme-động cơ bước để đưa bàn vào vị trí của vùng cơ thể cần chụp cắt lớp. Hệ thống mạch điện tử và các thành phần liên quan Như vừa nêu ở phần 3.1, để mô phỏng được hoạt động của một máy CT, cần điều khiển được các thành phần tĩnh và động của gantry, điều khiển hoạt động nâng hạ, vào ra của bàn bệnh nhân, mà cụ thể là điều khiển các động cơ: động cơ DC-hồi tiếp encoder (điều khiển-ổn định tốc độ quay của gantry), động cơ DC-vitme (điều khiển nghiêng gantry, có hồi tiếp, kiểm soát góc quay qua encoder), động cơ bước-vitme (điều khiển dịch chuyển vào ra của bàn bệnh nhân, có hồi tiếp encoder để kiểm soát vị trí bàn), động cơ thủy lực và van xả (điều khiển nâng hạ bàn, có hồi tiếp encoder để kiểm soát độ cao).
Để có thể điều khiển hoạt động của toàn bộ các động cơ trên sao cho hệ thống mô phỏng CT hoạt động chính xác, nhóm đã thiết kế và thi công phần điện-điện tử, gồm các khối sau: - Khối nguồn : Cung cấp nguồn hoạt động cho động cơ, nguồn nuôi các vi điều khiển. - Khối VĐK: bao gồm các IC VĐK, các IC giao tiếp, điều khiển động cơ. Khối VĐK chịu trách nhiệm điều khiển, kiểm soát toàn bộ hệ thống, giao tiếp với chương trình điều khiển ở máy tính. - Khối giao tiếp người dùng: gồm màn hình cảm ứng, điều khiển các hoạt động của gantry và bàn bệnh nhân.
- Khối công suất: làm nhiệm vụ lái các động cơ, đóng mở nguồn cho động cơ thủy lực và van xả. - Khối cảm biến: xác định vị trí, góc nghiêng, tốc độ và gửi các tín hiệu thu nhận được về hệ thống vi điều khiển. - Hệ thống mô phỏng sự hoạt động của bóng X-quang – dãy đầu dò. Hệ thống phần mềm điều khiển trên máy tính Được thiết kế bởi kỹ sư Nguyễn Mạnh Thi, giao diện được thiết kế bám sát phần mềm điều khiển thực tế với ngôn ngữ lập trình VB 6.0 với mục tiêu chính là: - Tạo ra một phần mềm qua đó người sử dụng có thể thao tác điều khiển hoạt động của hệ thống cơ khí của Gantry và bàn bệnh nhân một cách dễ dàng và trực quan, bám sát với các phần mềm trên thực tế.
- Giả lập mô phỏng các chế độ chụp và quá trình thu nhận và tái tạo ảnh của hệ thống CT- Scanner trên thực tế. Phương pháp thiết kế 3. Hệ thống cơ khí Gantry và bàn bệnh nhân - Hệ thống cơ khí Gantry: Hệ thống gantry được thiết kế cho hai chế độ hoạt động: chuyển động quay của gantry mục đích đưa đầu đèn đến vị trí mong muốn trong chế độ scanogram, khi chụp cắt lớp trong chế độ Standard hoặc Helical; chuyển động nghiêng của gantry khi thực hiện chụp một số vị trí đặc biệt của bộ phận cơ thể. Trang 7 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG CT SCANNER ĐA LÁT CẮT Hình 3.3: Cơ cấu quay gantry + Chuyển động quay của gantry được thực hiện nhờ hệ thống động cơ DC- encoder.
Tốc độ quay được xác định và kiểm soát thông qua encoder gắn trên trục động cơ. Các tốc độ quay gantry: 1 giây/vòng, 2 giây/vòng, 3 giây/vòng.
