CHỦ ĐỀ: Tomography and 3D Imaging

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG
BỘ MƠN CNĐT & KTYS
*************

BÀI DỊCH CƠNG NGHỆ CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH I:
CHỦ ĐỀ : Tomography and 3D Imaging

Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Thái Hà
Họ và tên sinh viên :
MSSV

Nguyễn Tiến Quân
:

20133152


Chương 17: Chụp cắt lớp và mô phỏng 3D
17.1 Nguyên lý hoạt động:
Việc chụp cắt lớp (Tomography) từ xuất phát từ tiếng Hy Lạp Tomos có nghĩa là phần, vậy
quá trình chụp cắt lớp vi liên quan đến việc tạo ra các phần hẹp của một đối tượng. Người ta coi rằng đây
là một q trình khơng xâm lấn được thực hiện sử dụng bộ cảm biến bên ngoài
đối tượng. Trong nhiều ứng dụng trình tự của các phép đo được thực hiện trên mặt phẳng 2D
kết hợp để tạo ra một hình ảnh 3D. Quá trình này là khi áp dụng cho X-quang là
gọi là chụp cắt lớp vi tính (CAT hoặc CT).


Hình 17.1 Chụp cắt lớp vi tính trục (a) Ngun tắc chung và (b) khi áp dụng cho chụp đầu

Chụp cắt lớp vi tính chỉ trở nên khả thi với sự phát triển của máy tính trong khả năng xử lý dữ liệu những

năm sáu mươi, nhưng nhiều trong số những nguyên tắc cơ bản đã được phát triển nhiều năm trước. Năm
1917, một nhà toán học, J.Radon cho thấy sự phân bố của vật liệu, hay các tính chất vật liệu có thể được
xác định nếu các giá trị của cùng với số dịng đi qua lớp đó là đã biết.

Q trình đó là thơng thường trong y tế nơi các bác sĩ u cầu mơ mơ hình 3D khi thực hiện phẩu thuật
khơng xâm lấn
.
Ví dụ:

-Siêu âm 3D
-Chụp cộng hưởng từ 3D (MRI)
-Chụp xạ hình cắt lớp Positron (PET)
-Chụp CT

Kỹ thuật siêu âm đã được nói đến trong các bài giảng trước đó. Nó sử dụng đặc tính đàn hồi của các mục
tiêu để tạo ra một hình ảnh trong khi chụp MRI hình ảnh dựa trên các lượng khác nhau của Hydrogen
(chứa trong nước) và PET Imaging dựa vào việc phát xạ positron từ sự phân rã phóng xạ. Cách hiểu tốt
nhất và có thể là phổ biến nhất là X-ray dựa vào mật độ vật chất của mục tiêu có ảnh hưởng đến sự suy
giảm của sóng EM tần số cao.

17.2.Chụp CT
Giữa năm 1957 và năm 1963, một nhà vật lý của Nam Phi, A. Cormick, độc lập đã phát triển một phương
pháp tính tốn sự phân phối hấp thụ bức xạ trong cơ thể con người, dựa trên các phép đo truyền dẫn. Ông
mặc nhiên cơng nhận rằng ta có thể hiển thị sự khác biệt rất nhỏ trong việc hấp thụ tia phóng xạ qua cơ
thể, nhưng không bao giờ áp dụng nghiên cứu của mình.
Vào đầu những năm 1970 qt CAT (cịn gọi là chụp cắt lớp vi tính hoặc CT, quét) đã được hình thành,
một lần nữa, bởi William Oldendorf và phát triển bởi Godfrey Hounsfield. Mặc dù thường xuyên sử dụng
phương tiện tăng tương phản để nâng cao chất lượng của các hình ảnh thu được, lần thí nghiệm này là hầu
như không đi sâu được. Kỹ thuật chụp CT cơ bản nhất phát triển vào những năm 1970, liên quan đến việc

xoay tròn và di chuyển một chuẩn trực nguồn tia X (tia bút chì) xung quanh bệnh nhân như trong hình bên
dưới.

Hình 17.2: Cách chụp CT đơn giản nhất thơng qua đo cường độ ra cảu chùm tia X từ nhiều góc độ.

Để đẩy nhanh q trình, máy qt CT hiện đại hơn bao gồm một nguồn tia X phất ra các luồng tia xuyên
tia bệnh nhân rồi tác động lên 1 dàn cảm biến. Hệ thống quay xung quanh một lõi trung tâm để tạo ra một
chuỗi các phép đo cường độ theo 1 vịng kín 360 °. Trong cả hai trường hợp, một thuật toán tái tạo ảnh
phức tạp giải quyết phương tổ hợp phép đo này để tạo ra một hình ảnh đại diện thể mật độ của vật liệu
trong mặt cắt ngang qua bệnh nhân.


Hình 17.3: Máy quét CT
Sự tạo ảnh bị tác động bởi sự chuyển động của bệnh nhân trong quá trình quét, vì vậy các phương pháp để
quét nhanh hơn được phát triển. Hệ thống chụp CT quay mà có thể tạo 1 một lát hồn tồn trong ít hơn
một giây đầu tiên được giới thiệu trong năm 1987. Tuy nhiên, các hệ thống này vẫn được xây dựng hình
ảnh 3D từ từng "lát" thông qua các bệnh nhân.
Năm 1990 máy quét xoắn ốc của với tính năng cắt nhiều lát 1 lúc đã được giới thiệu để tạo ra các hình
ảnh 3D độ phân giải cao. Máy có thời gian quét dưới 0.5s với độ dày lát giữa 0,5 và 1mm.


Hình 17.4: chụp cắt lớp xoắn ốc.
Nó cho phép quan sát các bộ phận cực kỳ mỏng của bộ não, hộp sọ, tủy sống và cột sống (Cũng như các
bộ phận khác của cơ thể) theo hai chiều và với sự phân biệt rõ ràng đủ giữa các khu vực màu đen, xám và
trắng của hình ảnh để cho phép chẩn đoán bệnh lý trong nhiều trường hợp.

17.2.1 Tái tạo hình ảnh
Như thể hiện trong hình 17.2, thực hiện phép đo cường độ của chùm tia X-ray vàchuyển đổi thành một
tập hợp các phép đo độ suy giảm. Chúng được gọi là các "biến đổi Radon "của hình ảnh. Một biến đổi

nghịch đảo sau đó phải được thực hiện để xác định sự phân bố của độ hấp thụ cho mỗi phần tử điểm ảnh
μ (x, y) thông qua các mục tiêu.
Cách đơn giản nhất để hiểu là một trong đó có những ẩn số N2 trong một N × N ma trận điểm ảnh. Nếu
đủ phép đo độc lập được thực hiện, ta có thể giải tất cả các ẩn số. Trong trường hợp đơn giản nhất của
một mục tiêu với chỉ bốn nguyên tố, hai phép đo, từ hai phép chiếu sẽ mang lại một hệ thống bốn phương
trình và bốn ẩn số mà có thể dễ dàng được giải quyết. Việc mở rộng tới một ma trận 3 × 3 với chín ẩn số
cũng có thể được giải quyết dễ dàng bằng cách sử dụng mười hai phương trình như đã định nghĩa trong sơ
đồ.


Hình 17.5: Lời giải của ẩn N2 cho 1 ma trận N×N có thể xác định bằng cách giải 1 loạt các phương
trình tuyến tính.
Q trình này được sử dụng bởi máy quét CT đời đầu trong đó số lượng các yếu tố là hạn chế. Tuy nhiên,
với các yêu cầu về độ phân giải tốt hơn với nhiều điểm ảnh, chi phí tính tốn trở nên q cao. Trong máy
quét CT hiện đại, các thủ tục backprojection convolution- thường được áp dụng. Nó bắt đầu với một ma
trận nạp với số khơng, và vì mỗi phép đo được thực hiện, giá trị chiếu được thêm vào tất cả các yếu tố
trong mảng theo hướng đo lường.
Tuy nhiên, bởi vì mỗi thành phần khơng chỉ đóng góp vào giá trị tại các điểm mong muốn, mà cịn cho cả
hình ảnh cung, nên một hình ảnh khơng sắc nét sẽ được tạo ra.
Để giảm thiểu sự thiếu sắc nét này, mỗi phép chiếu được cuộn lại với một hạt nhân trước khi chiếu lại.
Hạt nhân chập này đại diện cho một bộ lọc thơng cao.
Bởi vì chập trong miền khơng gian là tương đương với phép nhân trong tần số
miền, nó có thể thực hiện q trình chập-chiếu lại này trong miền đó.


Hình 17.6
Hình ảnh tái tạo bằng back-projection chỉ ra sự cuộn lại với 1 hạt nhân thông cao là cần thiết để có
1 bức hình sắc nét.

17.2.2 Nhứng gì được hiển thị trong hình chụp CT

Như đã giải thích ở trên, CT tính tốn sự phân bố khơng gian của sự suy giảm tuyến tính μ hệ số (x, y).
Tuy nhiên, vì μ phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng của photon tia X, nó sẽ làm việc so sánh các hình ảnh
được thực hiện với các hệ thống khác nhau khơng thể thực hiện được. Do đó, hình ảnh hiển thị như là một
sự suy giảm tương đối so với của nước.


Công thức dưới đây biểu thị đơn vị CT, hoặc đôi khi được gọi là đơn vị Hounsfield (HU) vinh danh người
phát minh.

Trên thang biểu này, nước, và bất kỳ mơ tương đương với nước μT = μwater có giá trị từ 0 HU, theo định
nghĩa. Air tương ứng với một giá trị -1000 HU vì μair gần bằng khơng. Xương và vơi hóa khác với số
ngun tử cao có độ suy giảm lớn và do đó có giá trị cao hơn, CT - thường lên đến 2000.
Hầu hết máy quét y tế cung cấp các giá trị CT 1.024-3071, tổng cộng 4096 giá trị, vì chúng có thể được
biểu diễn bởi một số 12 bit. Bởi vì, khơng chỉ phần mềm hình ảnh, mà kể cả mắt thường cũng không thể
phân biệt 4096 sắc thái khác nhau của màu xám, CT phục vụ một nhiệm vụ xử lý ảnh cụ thể, được đóng
khung và mở rộng để điền vào tất cả các màu từ màu đen sang trắng.

Hình 17.7: Giá trị CT cho mức hấp thụ thông thường của một số vật liệu.

Sự tương phản của hình ảnh trên CT là cao hơn nhiều so với một hình ảnh X-quang thơng thường, khơng
vì nhiều năng lượng hơn được sử dụng, mà vì sự khác biệt trong cách mà các hình ảnh được tạo ra.
Trong hình dưới đây, một so sánh được thực hiện giữa một hình ảnh CT và một hình ảnh X-ray. vì


cựu một sự tương phản giữa hai điểm ảnh lân cận tùy ý là thể hiện được 28HU mà tương ứng với 50%
trong thang đo này. Cường độ X-ray sẽ được xác định bằng tổng của các sự hấp tụ cùng tồn bộ con
đường mà chùm tia đi. Có thể thấy trong ví dụ này là sự tương phản giữa hai con đường lân cận thông qua
hộp sọ chỉ là 0,23%

Hình 17.8: Sự tương phản của ảnh chụp CT và X-Quang thơng thường

17.2.3. Hình ảnh 2 chiều
Phép chiếu CT chủ yếu giới hạn với mặt phẳng nằm ngang do cơ chế của hệ thống. Tất cả các hình ảnh
khác được tổng hợp từ các hình ảnh khối lượng xây dựng từ những lát ngang.


Hình 17.9: Ảnh chụp CT xương sống thể hiện (a) mặt cắt dọc cho thấy những lát và (b) hình ảnh
của từng lát.

17.2.4 Hình ảnh 3 chiều
Màn hình 3D đại diện cho một khối lượng quét trong một hình ảnh hồn chỉnh đã được thao tác để đánh
bóng làm rõ một đặc tính cụ thể. Điều này chỉ có thể được thực hiện thành cơng khi một cấu trúc có độ
tương phản cao (như bộ xương) được hiển thị. bề mặt bóng mờ hiển thị (SSD), độ chiếu tối đa (MIP)
render theo khối lượng (VR) hoặc render theo góc nhìn (PVR) là một số trong các thao tác thông thường.


Hình 17.10: Các phương pháp hiển thị 3D (a) SSD cho cấu trúc xương, (b) MIP cho chụp CT động
mạch, (c) VR cho bụng và (d) pVR cho nội soi ảo.

17.3 MRI-Chụp cộng hưởng từ:
Chụp MRI sử dụng nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và một tập hợp nam châm mạnh để tạo ra
hình ảnh được tạo ra bởi nhiều yếu tố khác nhau trong bệnh nhân. Nó thường được sử dụng để coi hydro
như cơ thể con người vì cơ thể con người chứa phần lớn nguyên tố đó đó.
17.3.1 Chụp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Hạt nhân ngun tử có một mơmen động phát sinh từ sức quay vốn có từ trước, hoặc spin. Kể từ khi các
hạt nhân được tích điện, spin tương ứng với một dịng diện trường xung quanh trục quay do đó tạo ra một
từ trường nhỏ.


Hình 17.11 Sự so sánh giữa (a) chóp nón quay và (b) phân tử hydro quay.
Mỗi nhân với một số lẻ các nucleon, và do đó một spin thuần

khác khơng do đó có một mơmen từ, hoặc lưỡng cực, liên kết
với nó. Nói chung sự định hướng của các lưỡng cực là ngẫu
nhiên, nhưng nếu chúng được đặt trong một từ trường, họ sẽ trở
thành liên kết với nó. Proton, hoặc các hạt nhân hydro, với một
spin ½ có thể sắp xếp song song với trường hoặc phản song
song. Cả hai phương thức có năng lượng khác nhau (Zeeman
chia tách) với spin lên trạng thái (Song song) có năng lượng thấp
hơn. tác dụng của chúng gần như hủy bỏ, nhưng trạng thái thấp
hơn có năng lượng thừa được khai thác bởi các RMI.

Hình 17.12 Các nguyên tử hydro xếp
hàng do tác động của từ trường ngoài
Khi bị một từ trường ngoài tác động, toàn bộ dân số của các hạt nhân có số lượng lớn vector từ tính M
hướng đến nó. Điều này được định nghĩa là hướng-z và bằng cách áp dụng một nhỏ từ trường quay trong
mặt phẳng x-y, các hạt nhân có thể được nghiêng đi từ zdirection. Tỷ lệ luân chuyển trường được điều
chỉnh tới tần số tiến động tự nhiên của hạt nhân (Cộng hưởng do đó từ trường). Đối với các hạt nhân
hydro trong từ trường của 1Tesla (104 Gauss), mối quan hệ Larmor trong đó xác định tần số cộng hưởng
là một chức năng của lĩnh vực ứng dụng dự đoán cộng hưởng là 42.57MHz.
Các vật liệu khác sẽ có tần số cộng hưởng khác nhau trong cùng 1 trường. (31P) có tần số cộng hưởng tại
17.24MHz và (23Na) tại 11.26MHz.


Ta có thể "điều chỉnh trong" cho bất kỳ lồi cụ thể để quan sát phản ứng của họ trong mơi trường cơ lập.
Tuy nhiên, với mục đích hình ảnh, chỉ có hydro được sử dụng trong thực tế vì nó có nồng độ cao và nó
nhạy cảm hơn.
Khi năng lượng ở xung trường quay được tăng lên, số lượng lớn M vector từ tính sẽ tiếp tục xoay đi khỏi
hướng của vector từ tĩnh cho đến khi trực giao với nó, quay trong chỉ có máy bay x-y. Khi xung kết thúc,
vector từ tính tiếp tục xoay trong một thời gian và như vậy, tạo ra một EMF nhỏ trong cuộn dây.
Tương tác giữa các hạt nhân gần kề mà bắt đầu quay với giá kết quả hơi khác nhau trong sụt năng lượng
và tổng spin gây ra để phân rã cho đến khi nó được một lần nữa phù hợp với trường tĩnh.

Hình 17.13 Nguyên tắc cộng hưởng từ hạt nhân cho thấy (a) từ tính khơng bị kích thích liên kết với
các trường ngồi (b) kết quả của việc áp dụng một xung RF để xoay vector từ tính (c)
17.3.2 Q trình chụp


Hình 17.14 Sơ đồ của một máy MRI


Quá trình chụp hình khai thác thời gian thực hiện cho các spin để phân rã, nó cho thấy dấu hiệu của
proton, cũng như nước, mật độ trong cơ thể. Như có thể thấy trong hình trên, ngồi các từ trường cố định
được tạo ra bởi các cuộn dây chính, ba cuộn dây trục có thể áp dụng các lĩnh vực khác nhau theo các
hướng x, y, z. Thao tác trong những trường này được sử dụng để xác định sự tập trung của các phân tử
hydro.

Hình 17.15 Mã hóa khơng gian của các tín hiệu MRI để tạo ra một lát hình ảnh
Như ta thấy trong hình, nếu khơng có trường trục được áp dụng dọc theo trục từ, thì các biến đổi Fourier
của tín hiệu Larmor cho thấy một quang phổ mở rộng duy nhất.
Nếu một trục từ trường được áp dụng, sau đó phổ Larmor sẽ có đặc điểm của các biến thể trong hình mật
độ proton theo hướng của trục. Bằng cách quay trường trục và mật độ proton từ các góc độ khác nhau,
một máy tính có thể
thực hiện chức năng biến đổi ngược để tái tạo trong 2D cấu trúc bên trong của cơ thể. Điều này quá trình
(sử dụng phương pháp chiếu) được minh họa trong hình bên dưới.


Ứng dụng này mật độ proton cho phép tạo ảnh của các mơ mà có thể so sánh được , đôi khi là vượt trội về
độ phân giải và tương phản so với chụp CT. Hơn nữa các chuyển động vĩ mơ tác động đến tín hiệu NRM ,
phương pháp có thể được áp dụng để đo tốc độ máu.
Bởi vì hướng của phép chụp được quy định bàng trường trục, ta có thể tạo ảnh theo nhiều hướng: phía
trước, chéo, cánh cung.

Hình 17.16 Tái tạo ảnh bằng cách sử dụng phương pháp chiếu

17.4 Chụp MRI


Hình 17.17: hình ảnh MRI của các bộ phận khác nhau của cơ thể cho thấy khả năng của nó để tạo
ra hình ảnh của mơ mềm

Hình 17,18: MRI tái tạo hình ảnh 3D

17.5 MRI chức năng (fMRI) Kiểm tra chức năng của chức năng não
fMRI kiểm tra các chức năng của não dựa trên thực tế là oxy hóa và khử ôxy phân tử hemoglobin cư xử
hơi khác nhau trong một từ trường. hình ảnh MRI có thể sau đó có thể cho thấy việc sử dụng oxy trong
não bằng cách sử dụng tín hiệu Blood-oxy-LevelDependent (BOLD)
Phép chiếu sử dụng kỹ thuật này, trong khi đối tượng được quan sát một cảnh cụ thể hoặc đang suy nghĩ
một suy nghĩ cụ thể, được so sánh với những người thực hiện bởi một điều khiển để xác định nơi một
chức năng não cụ thể xảy ra.


Những hình ảnh dưới đây cho thấy sự khác biệt giữa chủ thể nhìn vào một khn mặt và nhìn vào một
màn hình trống.

Hình 17.19: hình ảnh MRI chức năng của vùng não sử dụng để nhận ra một khuôn mặt.

17.6 Chụp cắt lớp phóng xạ Positron
Phân tử phóng xạ làm từ đồng vị phóng xạ với ngắn nửa cuộc sống như 11C, 15O hoặc 13N được tiêm
vào cơ thể, nơi phân rã phóng xạ diễn ra phát ra positron.
PET tạo ra hình ảnh của cơ thể bằng cách phát hiện bức xạ gamma - hai photon mỗi photon có năng
lượng 511keV được tạo ra bởi sự hủy diệt của một positron và một electron xảy ra sau khi phân rã này

như thể hiện trong hình bên dưới. Những photon phát ra tạo với nhau góc gần 180 °.


Hình 17.20: Phát xạ của một tia gamma sau hủy diệt của một positron và electron
Các máy dò tia gamma được sử dụng trong một máy quét PET bao gồm một vành khuyên các tinh thể
nhấp nháy, mỗi tinh thể kết nối với một ống hình ảnh như thể hiện trong hình bên dưới. Nếu một tia
gamma va vào một trong những tinh thể, nó tạo ra một photon ánh sáng được chuyển đổi thành một
electron và khuếch đại bởi các ống để tạo ra một tín hiệu đo lường được. Một cảm biến lặp đảm bảo rằng
chỉ có 1 cặp hit xảy ra trong vòng khoảng 25ns được ghi nhận.
Một hình ảnh thơ được làm bằng một lát trục thông qua cơ thể bằng cách kết hợp các hướng và thời gian
trễ tương đối tất cả các sự kiện đo.
Máy quét được di chuyển và quá trình lặp đi lặp lại cho đến khi một hình ảnh 3D đã được xây dựng.

Hình 17,21: Sơ đồ của một máy quét PET


Tùy thuộc vào loại phân tử tiêm, PET có thể cung cấp thơng tin về nhau chức năng sinh hóa. Ví dụ, nếu
các phân tử được phóng xạ đánh dấu là glucose, sau đó hình PET sẽ hiển thị một hình ảnh của sự trao đổi
chất glucose, hay bao nhiêu năng lượng cơ thể được sử dụng trong một khu vực cụ thể. Điều này hữu ích
trong các nghiên cứu về chức năng của não. PET scan khơng có độ phân giải cao giống như của fMRI thể
hiện trong các phần trước, nhưng nhạy cảm hơn trong việc xác định các q trình sinh lý mà sử dụng hóa
chất mà khơng có một dấu hiệu MRI tốt. Ví dụ, sự phát triển xương bất thường mà có thể chỉ ra sự hiện
diện của một khối u có thể được xác định chính xác sử dụng phóng xạ Phốt pho.

Hình 17,22: hình ảnh PET cho thấy chức năng của não trong được thực hiện theo nhiều cách khác
nhau


Hình 17.23: PET scan cho thấy chức năng não bất thường của một người sử dụng METH

17.7 Siêu âm 3D
Nếu ta biết vị trí tương đối của các hình ảnh được thực hiện bởi một máy siêu âm 2D, thì ta có thể xây
dựng một hình ảnh 3D. Nói chung, các bộ chuyển đổi vẫn còn di chuyển bằng tay như thợ máy lành nghề
thực hiện các chức năng tốt hơn và ít đáng sợ bộ dich cơ khí.
Một số nguyên mẫu đã được thực hiện tại UCSD trên ACUSON sửa đổi cho phù hợp 128XP/ 10 với một
bộ chuyển đổi C3. Tuy nhiên, trong vài năm gần đây một số nhà sản xuất đã có phiên bản thương của máy
siêu âm 3D.


Hình 17.24: Hệ thống siêu âm 3D


Hình 17.25: Quá trình chuyển đổi
một siêu âm 2D thành ảnh 3D

Hình 17.26 Bàn chân


Hình 17.27 Bàn tay và bàn chân