Tổng quan về nguyên lý và cấu tạo máy chụp cắt lớp CT SCANNER

Kỹ thuật chụp cắt lớp điện toán ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong chẩn đoán bệnh. Việc ứng dụng chụp ảnh cắt lớp vào trong y học để xác định ảnh các mô hay các cơ quan bên trong cơ thể là một bước tiến rất quan trọng trong ngành y tế. Nhưng quá trình tạo ảnh CT như thế nào, và nó sử dụng cách thức ra sao để tạo ảnh chúng ta sẽ đi sâu vào phần sau để hiểu rõ hơn.

PHẦN I. NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CT

1. Khái niệm về CT

CT là một kỹ thuật tạo ảnh lớp cắt cùng với sự hỗ trợ của máy tính tạo ra các hình ảnh chụp cắt lớp sắc nét, rõ ràng. Công việc này được thực hiện thông qua việc thực hiện một thủ tục hay một chuổi hoạt động được gọi là sự tái tạo ảnh từ các hình chiếu, một kỹ thuật hoàn toàn dựa trên các cơ sở toán học.

2. Giới thiệu về ảnh CT

CT là một phương pháp chụp quang tuyến đặc biệt sử dụng tia X với khả năng đâm xuyên cao để tạo ảnh các cơ quan bên trong cơ thể. Ảnh của các bộ phận bên trong cơ thể được tạo ra với các phương pháp tiên tiến và các thuật toán tối ưu do đó CT tránh được hiệu ứng xếp chồng này vì chỉ xử lý những thông tin của lớp cắt cần quan tâm. Như vậy trong CT chi tiết của đối tượng tương ứng một cách chính xác với chi tiết ảnh mà không liên quan tới một số phần tử đối tượng nằm cận kề trên đường chiếu của chùm tia X. Ảnh được tạo ra không còn bị xếp chồng và được gọi là ảnh thay thế.

Đặc điểm nổi bật của kỹ thuật chụp CT

Khả năng của CT trong việc tạo ra ảnh thay thế, thay cho ảnh xếp chồng, chính là một trong những điểm cốt lõi chứng minh của hiệu quả cao của phương pháp này: CT có thể tạo ra những ảnh của các mô mềm với độ tương phản cực cao mà với phương pháp cổ điển không thể đạt được. Hơn nữa nhờ những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, CT còn cho phép định lượng được hình ảnh.
Trong rất nhiều trường hợp, nhờ khả năng tạo ảnh các mô mềm với độ tương phản rất cao mà đã có thể loại bỏ việc sử dụng các chất cản quang. Ví dụ: nhờ CT có thể chụp ảnh não thất một cách trực tiếp do vậy có thể giảm bớt được nhiều xét nghiệm thần kinh, điện não đồ. Thông thường hơn, có thể tránh phải bơm thuốc cản quang vào mạch máu. Và do vậy, thay vì phải chịu nguy cơ cao do tiêm thuốc cản quang vào động mạch nay chỉ cần tiêm tĩnh mạch với nguy cơ thấp hơn.
Đặc biệt hơn kỹ thuật chụp X quang còn giúp tạo ảnh hình dạng thực của các cơ quan bị thương tổn, phương pháp cổ điển chỉ tạo ảnh thông qua các thông tin gián tiếp thông qua sự dịch chuyển của máu, trong khi đó X quang với rất nhiều trường hợp đã cung cấp nhiều chỉ dẫn chính xác hơn khi chụp mạch.

3. Phân loại các phương pháp quét ảnh theo thế hệ máy CT Scanner

Kể từ khi được đưa vào sử dụng, người ta đã cố gắng cải thiện, nâng cao hiệu quả của hệ thống thiết bị CT đặc biệt trong việc giảm thời gian tạo ảnh, bằng cách cải tiến hệ thống quét. Những hệ thống quét này khác nhau chủ yếu về số lượng và cách bố trí các cảm biến, mỗi hệ thống quét đều có những ưu và nhược điểm riêng.

3.1. Máy CT thế hệ thứ nhất

Bộ thu chỉ gồm một đầu dò, chùm tia phát ra hẹp và song song dạng một cái bút chì.
Phương thức quét: Bóng XQ và đầu dò dịch chuyển song song theo hướng vuông góc với chùm tia và bao trùm toàn bộ mặt phẳng lớp cắt, sau đó cả hệ thống quay một góc rồi tiếp tục dịch chuyển song song, tại những khoảng cách đều đặn tia X được phát và thu. Quá trình tiếp diễn cho tới khi số lượng tín hiệu thu được đủ lớn để tái tạo ảnh.
Hệ thống này hiện tại hầu như không được ứng dụng vì chỉ sử dụng một phần năng lượng rất nhỏ, không đáng kể của nguồn bức xạ từ bóng XQ trong khi năng lượng bức xạ từ Anode của bóng có thể bao trùm một góc thì chùm tia bức xạ thực dụng để đo lại chỉ nằm trong góc 10^-4 Radian. Bởi vậy, một mặt công suất của bóng XQ bị hạn chế, mặt khác do nhu cầu cần thiết phải tạo được liều bức xạ tại cảm biến đủ để đo nên máy không thể chuyển động với vận tốc cao.
Với hệ thống này để tạo ảnh một lớp cắt cần một thời gian dài cỡ vài phút và vì vậy trong giai đoạn đầu của máy CT, nó chỉ được ứng dụng để chụp các cơ quan tĩnh đặc biệt là xương và sọ não.
Tuy nhiên, trong thực tế, việc giảm thời gian tạo ảnh chỉ có thể đạt được nhờ tăng số lượng kênh đo cho một lớp cắt, các máy CT đã được phát triển theo hướng này.

3.2. Các máy CT thế hệ thứ hai

Cấu trúc : Thay vì dùng một đầu dò, đến thế hệ này đã dùng một chùm đầu dò khoảng 20-30 chiếc bố trí cận kề nhau trong hướng quét, Chùm tia quét có dạng hình quạt.
Phương pháp quét : Tương tự như thế hệ thứ nhất, hệ thống đo thực hiện hai loại dịch chuyển đó là : dịch chuyển song song và dịch chuyển tịnh tiến.
Với cách bố trí hệ thống đo này, nguồn bức xạ tia X từ bóng XQ được sử dụng hiệu quả hơn nhiều, có thể thực hiện được nhiều phép chiếu tương ứng với số lượng cảm biến và thu được nhiều dữ liệu đo đồng thời, vì vậy góc quay và khoảng giữa hai lần chiếu theo mặt sẽ tăng, kết quả giảm tổng số bước quét phẳng và số lần quay của hệ thống đo. Với hệ thống này, tuỳ thuộc vào số cảm biến thời gian tạo ảnh một lớp cắt trong khoảng từ 10-60 giây. Tuy nhiên do quá trình cơ học khi chuyển động ngang hay quay, việc giảm thời gian tạo ảnh xuống thấp hơn nữa đối với hệ thống đo này không thể thực hiện được.

3.3. Máy CT thế hệ thứ ba

Cấu trúc : Số lượng đầu dò tăng đến vài trăm cái và được bố trí trên một vòng cung đối diện và gắn cố định với bóng XQ. Chùm tia X phát ra theo hình rẻ quạt với góc từ 30-60o  tuỳ theo số lượng đầu dò và bao trùm toàn bộ tiết diện lớp cắt.

Phương pháp quét : Hệ thống đo quay quanh đối tượng một góc 3600 để thực hiện một lớp cắt. Khi quay tia X có thể hoặc được phát thành xung tại những góc cố định hoặc được phát liên tục.

Với cấu trúc này, nguồn bức xạ tia X được sử dụng tối ưu, hơn nữa hệ thống đo chỉ thực hiện một kiểu chuyển động quay và quay liên tục chứ không phải từng bước. Thời gian chụp ngắn nhất giảm xuống chỉ còn cỡ một vài giây.

3.4. Máy CT thế hệ thứ 4.

Cấu trúc : Khác với những máy thuộc thế hệ trước, bóng XQ và đầu dò gắn chặt với nhau, cùng dịch chuyển hoặc quay. Máy thế hệ thứ 4 có hệ thống đầu dò tách biệt với bóng XQ, đó là một tập hợp nhiều đầu dò được bố trí trên một vòng tròn bao quanh khoang bệnh nhân.

Phương pháp quét : Bóng XQ quay tròn quanh bệnh nhân, chùm tia phát thành hình rẻ quạt bao phủ vùng cần khám nghiệm, các phần tử cảm biến sẽ được đóng/ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng. Bóng quay tròn, các bộ cảm biến tạo thành vòng tròn đứng yên.

Ưu điểm của loại máy thuộc thế hệ thứ 4: Thời gian chụp ngắn nhất tương tự như thế hệ thứ 3, cỡ một đến vài giây. Không bị nhiễu hình ảnh tròn (ring artifact) như thường xảy ra đối với máy thuộc thế hệ thứ 3. Tuy nhiên máy có cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dò lớn hơn rất nhiều.
Hiện nay chỉ mới một vài hãng sản xuất máy thế hệ thứ 4 (ví dụ như: Picker,Tosiba) sản phẩm thương mại chiếm khoảng 6%.

PHẦN II. TẠO ẢNH CT NHƯ THẾ NÀO?

Giới thiệu và tổng quan

Ảnh CT khác với ảnh X quang ở vài chi tiết cụ thể. Những vấn đề này khác nhau ở cách tạo ảnh. Sự định dạng của ảnh CT trải qua nhiều bước.

Ảnh CT được bắt đầu với việc quét pha. Trong pha đó, một chùm tia X mỏng có hướng chiếu khi xuyên qua những cạnh (edges) của phần cơ thể để tạo ảnh. Bức xạ khi đi qua phần cơ thể nó được đo bằng dãy detector. Các detector này không thể tạo ra được ảnh CT hoàn chỉnh mà nó chỉ cho hình viền của một đường chiếu. Dữ liệu đường viền là đo sự suy giảm của tia X từ bóng phát tia tới những detector riêng lẻ. Để có đủ thông tin cho việc tạo nên một ảnh đầy đủ, chùm tia X quay vòng, hoặc quét, xung quanh thiết diện cắt để tạo nên đường viền từ những góc độ khác nhau. Điển hình, hàng trăm vùng tạo được và dữ liệu đường viền của mỗi vùng được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính. Tổng số đo sự đâm xuyên tạo nên số vùng và số tia X nằm trong khoảng giới hạn cho mỗi vùng. Tổng thời gian quét cho một lớp cắt khoảng từ 0.35s tới 15s, phụ thuộc vào việc thiết kế máy quét (scanner mechanism) và người điều khiển chọn kiểu quét thay đổi. Chất lượng của ảnh có cải tiến bằng cách tăng thời gian quét .
Pha thứ 2 của việc tạo ảnh là dựng ảnh. Quét pha của định dạng ảnh CT được thực hiện bằng máy tính số, nó là một phần của hệ thống CT. Dựng ảnh là thực hiện bằng một quá trình toán học đó là việc chuyển đổi dữ liệu quét của các vùng (views) riêng lẻ về dạng số hoá, hoặc số hóa bức ảnh bức ảnh. Ảnh được cấu tạo bởi dãy phần tử ảnh riêng lẻ gọi là pixel. Những pixel này được đặc trưng bằng một giá trị số, hoặc là chỉ số CT. Các giá trị đặc biệt cho mỗi pixell quan hệ với mật độ của mô ở trong những nguyên tố thể tích tương ứng gọi là voxel. Dựng ảnh thường mất vài giây, phụ thuộc vào sự phức tạp của bức ảnh và khả năng của máy tính. Ảnh số sẽ được lưu trữ ở trong bộ nhớ máy tính.

Pha cuối cùng là chuyển đổi ảnh số thành hiển thị video vì vậy có thể nhìn trực tiếp được hoặc có thể được ghi ở trên phim. Bước này được thực hiện bằng những thành phần điện tử nó thực hiện chức năng chuyển đổi số sang tương tự.

Mối quan hệ giữa giá trị số CT và sự chuyển màu (shades) của mức xám hoặc độ sáng ở trong ảnh được xác định rõ bằng việc lựa chọn các mức cửa sổ (window) bằng người điều khiển.

Có thể thấy rằng cửa sổ này bao hàm từ mức xám cao (upper) tới mức xám thấp (lower), đây có thể là sự thay đổi độ sáng và mức xám của ảnh hiển thị. Việc window đặt để xác định số CT trong một khoảng rộng nó bao hàm toàn bộ mức xám bên ngoài của ảnh (image gray scale).

Quét thăm dò hoặc quét toàn cảnh

Topogram là một bức ảnh số nhìn tổng quát sử dụng cho việc lựa chọn các lớp cắt CT hoặc là cơ sở cho những tài liệu (documentation). Bóng phát tia và detector được lắp ráp trên một khung có vị trí cố định đối nhau. Trong quá trình quét thăm dò Hình 2.16 Chuyển đổi ảnh số tới ảnh mức xám Hình 2.17 Hình ảnh của một quá trình quét toàn cảnh hay quét toàn cảnh bóng phát tia và cụm đầu dò đứng yên, bàn bệnh nhân di chuyển trên một khoảng cách bao trẻm vùng thăm khám (phù hợp với chiều dài đặt topogram). Một ảnh chiếu được tạo nên từ đo các mức suy giảm “line-byline”. Kết quả những hướng chiếu khác cũng tương tự đối với việc xuất hiện những tia được quy ước. Hình ảnh tạo ra là tập hợp của rất nhiều ảnh xếp chồng (như trong phương pháp chụp Xquang thông thường), rộng bằng bề dày của lớp cắt (đã được xác định). Dựa trên hình ảnh toàn cảnh này để lập chương trình tạo ảnh cắt lớp.

Quét cắt lớp

Bóng phát tia và cụm đầu dò quay quanh người bệnh một góc 360o để thực hiện một lớp cắt. Bàn bệnh nhân dịch chuyển một khoảng cách bằng bề dày lớp cắt sau mỗi lớp cắt theo phương thức quét gián đoạn hoặc di chuyển liên tục với một tốc độ cố định (tốc độ chuyển động tịnh tiến của bàn bệnh nhân phải phù hợp với tốc độ quay tròn của giàn quay để xác định khoảng cách giữa các lớp cắt) theo phương thức quét xoắn ốc. Đối với phương pháp quét xoắn ốc trong khi đang thu nhận tomogram, hệ thống bóng/detector vẫn tiếp tục quay tròn quanh bàn bệnh nhân. Những hướng chiếu thu được từ những vị trí của những góc kế tiếp nhau trên vòng quay là nhanh.
Đo cường độ đường viền với những mức cường độ tại những detector. Mỗi hướng chiếu sẽ có một cường độ đường viền tương ứng (hướng chiếu của lớp cắt quét cho một kênh). Trong khi đo, xấp xỉ 1,000 hướng chiếu được tạo nên. Mỗi một hướng chiếu tạo ra 704 giá trị lấy mẫu –sample values, vì vậy để quét được đầy đủ cần phải thực hiện trên 700,000 lấy mẫu dữ liệu đo.

Lựa chọn chiều dày lớp cắt bằng cách sử dụng một máy tính điều khiển bộ chuẩn trực ở bóng phát tia. Bóng phát tia, trong quá trình quét, có thể hoạt động theo hai phương thức:phát tia liên tục hoặc phát tia theo xung. Hiện nay hầu hết máy CT đều được thực hiện theo phương thức phát tia liên tục vì giảm được công suất phát tia, tránh cho bóng phải hoạt động căng thẳng. Để thu thập mẫu dữ liệu, được bật tắt hàng nghìn lần trong một vòng quay.

PHẦN 3: CẤU TẠO CHUNG