Kỹ thuật Chụp mạch xóa nền (DSA)

DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

MỤC LỤC
1. GIỚI THIỆU CHUNG............................................................................................2
2. CẤU TẠO HỆ THỐNG X-QUANG SỐ.................................................................2
3. THÀNH PHẦN HỆ THỐNG CẤU TẠO ẢNH.....................................................3
3.1 Bầu tăng quang..................................................................................................3
3.2 Ống kính thu nhận ánh sáng.............................................................................4
3.3 Video Camera....................................................................................................4
4. HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH SỐ................................................................................6
4.1 Chuyển đổi tương tự- số....................................................................................7
4.2 Chuyển đổi logarit.............................................................................................8
4.3 Bộ nhớ hình ảnh và tích hợp vịng lặp hồi tiếp................................................8
4.4 Phép trừ ảnh......................................................................................................9
4.5 Phép trừ tuyến tính..........................................................................................10
4.6 Phép trừ logarit................................................................................................10
4.7 Hiển thị ảnh và lưu trữ....................................................................................11
5. NHIỄU TRONG CHỤP XÓA NỀN......................................................................11
5.1 Nhiễu hệ thống trọng chụp mạch xóa nền.....................................................12
6. CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH NHIỄU..................................17
6.1 Di chuyển của các điểm sáng:.........................................................................17
6.2 Vai trò của độ mở video camera.....................................................................17
6.3 Sự tích hợp ảnh................................................................................................18
7. ĐỘ PHÂN GIẢI KHƠNG GIAN TRONG DSA.................................................19
DANH MỤC HÌNH ẢNH..........................................................................................22

1

DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

1. GIỚI THIỆU CHUNG
Trong chương này chúng ta sẽ thảo luận về một kĩ thuật được gọi là Chụp mạch
xóa nền (DSA) nhưng cũng được gọi là chụp X quang kỹ thuật số, soi huynh quang kỹ
thuật số và hình ảnh quang điện tử số. Chúng ta sẽ sử dụng các thuật ngữ thay thế cho
nhau mặc dù kỹ thuật DSA chụp động mạch giwois hạn đề cập đến các kỹ thuật làm
mờ nền của bức ảnh, 2 bức ảnh thu được trước và sau khi tương phản được dùng cho
bệnh nhân cho các mục đích nghiên cứu mạch máu. Thuật ngữ tổng quát hơn, chụp Xquang kỹ thuật số bao gồm việc sử dụng tất cả các kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số trong
ảnh X-quang. Theo một số tác giả, thuật ngữ này bao gồm việc sử dụng X-quang chụp
cắt lớp điện toán, mặc dù chụp X-quang kỹ thuật số chương này chỉ đề cập đến những
kĩ thuật àm trong đó thiết bị điện tử, kĩ thuật số được sử dụng để thu ảnh phẳng chứ
khơng phải hình ảnh chụp cắt lớp. Ngồi ra, chúng tôi sẽ tập chung vào hệ thống sử
dụng bộ tăng sáng truyền hình bằng video camera vì các hệ thống này cung cấp các ví
dụ minh họa hữu ích.
2. CẤU TẠO HỆ THỐNG X-QUANG SỐ
Một sơ đồ cấu tạo hệ thông X-Quang số được
System Control and Operator
Interface

đưa ra trong hình 1. Tại trung tâm của hệ thống
Computer Interface

này là một hệ thống xử lí ảnh kỹ mà ta thu
Digital Image
Storage

X-Ray

Generator

được từ các video camera và cung cấp tín hiệu

Digital
Processing
X-Ray Tube and
Collimator

Image
Intensifier

Digital-to-Analog
Conversion

thu thập hình ảnh để kiểm sốt dữ liệu từ nguồn

Logarithmic LookUp Table
Analog Image
Storage

Optics and
Aperture

tia X thành hình ảnh xử lí.

Analog-to-Digital
Conversion
Image
Display

Video
Camera

thới gian cho cả máy phát tia X và các hệ thống

Analog
Processing

Sync Stripper
Circuit
Solid Line Indicates Data Flow

Quá trình thu nhận ảnh bắt đầu khi tín hiệu
được chuyển tới máy phát tia X dưới sự điều

Timing
Signals

khiển của máy tính, các tia X sau khi đi qua
bệnh nhân và sẽ đến bộ khuếch đại tín hiệu.

Hình 1: Thiết kế hệ thống X-Quang số
Một ống kính thu nhận ánh sáng, được đặt
giữa bầu tăng quang và video camera, điều

khiển lượng ánh sáng đi vào video camera. Sự quản lí điều khiển tỷ lệ tín hiệu- nhiễu
của hình ảnh thu được sẽ được trình bày ngay sau đây. Video camera nhận hình ảnh là
các photon ánh sáng tự bộ khuếch đại và chuyển đổi nó thành các tín hiệu video điện
2

DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

tử, việc xử lí này được giao cho bộ xử lí hình ảnh theo kĩ thuật tương tự. Bộ xử lí hình
ảnh và số hóa hình ảnh, lưu trữ nó trong bộ nhớ, và làm cho nó có sẵn ở dạng kỹ thuật
số cho “phép trừ” với ảnh khác có được tại một thời điểm khác hoặc một năng lượng
khác. Các thành phần cơ bản của hệ thống tạo ảnh bao gồm: Thiết bị tạo tia X và các
thiết bị khác như thiết bị mang ảnh, khối cao thế, thiết bị định dạng chùm tia X và định
vị bệnh nhân, thiết bị tạo ảnh, thiết bị rửa phim, hệ thống máy tính liên mạng và bộ
cảm biến điện tử đối với hệ thống X-Quang số.
Một thuật tốn thơng dụng sử dụng trong hệ thống X-Quang số là Xóa theo thời
gian (Temporal Subtraction) Trong kĩ thuật này, hình ảnh ban đầu được thu nhận sau
đó chất cản quang sẽ được đưa vào cơ thể thông qua đường tĩnh mạch. Tiếp theo là
quá trình thu nhận ảnh động khi chất cản
quang đi vào cơ thể trong 1 đơn vị thời

IMAGE BEFORE
CONTRAST

IMAGE AFTER
CONTRAST

Head

gian được cài đặt sẵn. Bộ phận xử lý hình
ảnh sẽ lấy ảnh thu nhận được khi chưa có

Carotid
arteries
Neck

chất cản quang làm ảnh nền (ảnh mask)
và tiến hành loại trừ ảnh nền với ảnh thu

TEMPORAL
SUBTRACTION
CONTRAST Carotid
Arteries

được khi có chất cản quang đối với những
cấu trúc giải phẫu tĩnh giống nhau giữa 2
ảnh. Như trên mơ hình, ta có thể thấy
được hình ở trên phía bên trái là hình

SUBTRACTION IMAGE

Hình khi
2: Temporal
Subtraction
mask, cịn hình bên phải là hình thu nhận được
có chất
cản

quang đưa vào, ảnh cịn lại là kết quả loại trừ của 2 ảnh trên.

3. THÀNH PHẦN HỆ THỐNG CẤU TẠO ẢNH
3.1 Bầu tăng quang

Các thuật toán trừ gải định rằng giải phẫu của bệnh nhân là tương tự hoặc giống
hệt nhau ở cả ảnh mặt nạ và ảnh cản quang. Các video camera, ống tia X, và các thành
phần khác của hệ thống phải đủ ổn định để đảm sự cân bằng này vì thế mà cấu trúc
giải phẫu có thể trừ cho nhau được. Để duy trì sự tương phản có sẵn trong ảnh X3


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Quang, hình ảnh bị khuếch đại phải có một tỷ lệ tương phản cao và chuyển đổi tương
tự sang số nên cung cấp đủ không gian lấy mẫu để bảo toàn độ phân giaiar của hình
ảnh khuếch đại.
3.2 Ống kính thu nhận ánh
sáng
Hệ thống ống kính thu nhận ánh sáng,
tương tự như hệ thống ống kính của máy
chụp hình, được đặt phía sau của bầu tăng
quang để kiểm soát lượng ánh sáng đi vào
video camera cho từng liều chiếu cụ thể.
Khi có một bức xạ lớn chiếu đến người
bệnh, qua bầu tăng quang lượng ánh sáng
lớn, khẩu độ lúc này sẽ điều chỉnh để nhỏ lại. Ngược lại khi liều chiếu đến người bệnh
Hình
3: Điều
độ sáng
cho hình
nhỏ khẩu độ ống kính sẽ lớn hơn, trong trường
hợp
nàychỉnh

nhiễu
lượng
tử ảnh
khơng ảnh

hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được.
3.3 Video Camera
Một trong những bộ phận then chốt của hệ thống X quang kĩ thuật số nói chung và
(Video Target)
+
+
+
+
+
+
+
+
Light
+

DSA nói riêng à video camera. Nó
Cathode

có chức năng chính là tạo ra tín hiệu
điện tử tỉ lệ với số lượng ánh sáng

Electron beam is scanned
across the video target

thu được.

Sơ đồ hệ thống video camera ở hình
Video Amplifier
(Measures Video
Target Current)

Video Signal
Output

4. Yếu tố quang hoạt trong camera
là mục tiêu video mà thay đổi độ

dẫn điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Quét một chùm tia điện tửu liên tục lên video
target, với các điện tích được bắn đến bia video tạo thành dịng điện, tạo ra các tín
Hình 4: Sơ đồ video camera

hiệu video. Khu vực mà bia tiếp xúc với cường độ ánh sáng lớn tạo ra một độ dẫn điện
cao, dẫn đến việc xuất hiện một dòng điện lớn. Khu vực bia tiếp xúc với cường độ ánh
sáng thấp, tạo ra một độ dẫn điện thấp hơn, do đó tạo ra một đoạn video camera nhỏ
hơn hiện tại. Các tín hiệu là thước đo mức độ ánh sáng cho các bia video. Các tín hiệu
video thu được là sự mã hóa ánh sáng thành các tín hiệu điện theo thời gian.
4


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Các bia có thể được tạo ra theo một trong 2 cách sau. Trong video camera được sử
dụng trong ngành cơng ngiệp truyền hình, các chùm tia điện tử được quét qua mục tiêu
trong 262 ½ chuyền ngang qua khu vực các mục tiêu. Kết quả là 262 ½ đường tại

thành một hình ảnh của bia, được gọi là một trường video. Các trường video được sản
xuất liên tục, mỗi trường mất khoảng 1/60 giây. Trong trường tiếp theo, chương trình
sẽ quét chùm electron dọc theo các đường nằm giữa hai dòng của các trường trước. Do
đó, các trường thứ hai được thu lại với dòng xen kẽ giữa những trường đầu tiên. Hai
trường được gọi là trường chẵn và trường lẻ, mỗi trường chiếm 1/60 giây. Và 2 trường
làm cho một khung hình có được trong 1/30 giây mà có tất cả 525 dịng. Sử dụng cách
quét này đã được các ngành công nghiệp
truyền hình chọn để giảm bớt băng thơng
trong q trình truyền dữ liệu, đồng thời
tránh nhiễu trong hình ảnh video được
xem. Tuy nhiên, qt xem kẽ là khơng lí
tưởng cho chụp X-Quang kĩ thuật số.
Vấn đề cơ bản của chế độ xen kẽ là các
trường video được đọc liên tục. Tuy
nhiên, hầu hết các “bia” có một sự trễ
Hình 5: Qt video

nhất định ngay cả khi được tiếp xúc một mức độ ánh sáng liên tục, phải mất vài trường
video trước khi tín hiệu đầu ra là ổn định. Vì vậy, trong hệ thống X-Quang kỹ thuật số,
sau khi các tia X-Quang được phóng ra, sự trễ trong các tín hiệu video cho hình ảnh
thu được trong giai đoạn đầu này không ổn định. Những trường ban đầu này phải bị
loại bỏ. Mặc dù điều này rõ ràng là không mong muốn nó tăng thời gian chiếu xạ với
tia X của bệnh nhân (Hình 6). Điều này một phần là do thực tế các bộ phận của một
trường sẽ nhận được chiếu xạ với tia X nhiều hơn so với những bộ phận khác.
Quét chế độ cấp tiến giải quyết các vấn đề với sự chiếu xạ thừa (Hình 7). Khi chế
độ này được sử dụng, một hình ảnh được lưu trữ bên trong các bia trong lúc chiếu xạ
tia X và hoàn toàn đọc ra trong khi chùm tia X tắt. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ sự
chiếu xạ thừa tia X, đó là sự cần thiết để có thể đọc được ở mức độ chiếu xạ tia X liên
tục và xen kẽ. Nó làm điều này bằng cách khơng trộn các q trình lưu trữ và đọc ra
từ bia video camera.

5


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Có những mặt khác của video camera rất quan trọng trong một hệ thống X-Quang.
Đầu tiên, kích thước của các tín hiệu video phải đồng thời tỉ lệ thuận với cường độ tia
X chuyển đến đầu vào phosphor của bầu tăng quang. Thứ hai, các video camera phải
có độ trễ thấp. Điều này nghĩa là một hình ảnh thu được tại một thời điểm khơng tồn
tại trên bia trong giai đoạn đưa dữ liệu ra. Điều này đặc biết quan trong với những bộ
phận di chuyển nhanh như tim, được chụp bởi các kĩ thuật số hệ thống X-Quang. Một
video camera có những đặc điểm của tuyến tính tương phản tốt cũng như độ trễ thấp là
một bia camera plumbicon vì nó có ống kính Vidicon oxit (PbO2). Một lợi ích khác của
plumbicon camera là chúng có độ nhiễu nhỏ so với các loại video camera khác, cũng
cấp tín hiệu- nhiễu tỷ lệ trong khoảng 1000:1 và cao như 2000:1.
Wasted X-Ray Exposure

4. HỆ THỐNG XỬ LÝ
ẢNH SỐ
Sơ đồ khối cho một bộ xử

Continuous XRay
Exposures

Hình 6: Chiếu xạ xen kẽ
Interlaced Video
Fields
Video

lí ảnh kỹ thuật số điển hình
được thể hiện như trong hình
8, 9. Bộ xử lí ảnh số bao
gồm: (1) thu thập và số hóa

Video

Pulsed X-Ray

Hình 7: Tiếp xúc với xung Progressive
Progressive

các hình ảnh video, (2) lưu trữ các hình ảnh kỹ thuật số trong bộ nhó, (3) thực hiện các
phép tốn số học (phép trừ, phép cộng, phép nhân liên tục) trên các dữ liệu hình ảnh,
(4) hiển thị các hình ảnh kỹ thuật số trền màn hình video, và (5) lưu trữ các dữ liệu
hình ảnh trên phương tiện truyền thơng và một đĩa quang. Bộ xử lí hình ảnh cũng chưa
một bộ vi xử lí hoặc hệ thống điều khiển những hoạt động cơ bản của bộ xử lí hình
ảnh, các máy phát điện X-Quang, các thành phần khác phối hợp và kiểm sốt các hoạt
động của hệ thống hình ảnh kỹ thuật số.

6


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Hình 8: Hệ thống xử lí ảnh số

Hình 9: Thành phần hệ thống DSA

4.1 Chuyển đổi tương tự- số.
Chúng ta có một hình ảnh video analog đã được thu lại bởi hệ thống X-Quang,
tăng sáng truyền hình, và video camera (Hình 8). Các tín hiệu analog được chuyển đến
cho các bộ phận xử lí để điều chỉnh biên độ và mức độ của tín hiệu video để đáp ứng
các thông số kỹ thuật đầu vào của bộ chuyển đổi analog-digital. Độ rộng các bước cảu
bộ chuyển đổi analog-digital phải được chọn sao cho để nó không tạo thêm nhiễu. Các
7


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

tín hiệu hình ảnh sau khi được số hóa và thường được chọn lựa để xấp xỉ bằng độ lệch
chuẩn của các nhiễu điện tử. Bời vì tỉ số tín hiệu- nhiễu của hầu hết các video camera
là khoảng 1000:1, toàn bộ phạm vi của tín hiệu phải thuộc khoảng 1000 số hóa các
bước lượng tử hóa tương ứng với một bộ chuyển đổi analog-digital với 10 bit ( 1024
bước) để bù đắp nhiều tín hiệu analog này. Bộ ADC điều khiển việc chuyển đổi các tín
hiệu từ tương tự sang số. Các bộ vi xử lí kiểm sốt sử dụng phần mềm để định dạng
chuỗi này của số kỹ thuật số như vậy mà chúng có thể được sử dụng đến các địa điểm
ảnh chỉ số dử dụng một hàng, sơ đồ cột.
Nhiều hình ảnh được thu thập vào một ma trận 512x512 pixel mặc dù một số hệ
thống sử dụng ma trận 1024x1024. Ma trận hình ảnh kiểm sốt tỉ lệ lấy mẫu của
analog để chuyển đổi kỹ thuật số. Ví dụ, nếu một 512x512 ma trận hình ảnh được sử
dụng để số hóa, hình ảnh đó được thu lại trong khoảng 1/30 giây. Khoảng thời gian
mẫu của bộ chuyển đổi analog-digital bằng 1/30 giây chia bởi 5122. Giai đoạn này
khoảng 100ns, tương ứng với tần số lấy mẫu của khoảng 10MHz. Tần số lấy mẫu này
giới hạn băng thông của hệ thống để khoảng 5MHz và tiền xử lí analog phải có một bộ

lọc thơng thấp để tránh sóng răng cưa do đó hạn chế tần số khơng gian của các tín hiệu
video đến 5MHz hoặc ít hơn trong ví dụ này.
4.2 Chuyển đổi logarit
Sau khi số hóa, các dữ liệu hình ảnh được biến đơi loga, có nghĩa là các giá trị
điểm ảnh được thay thế bằng logarit của nó. Sự biến đổi loga là cần thiết để loại bỏ cấu
trúc giải phẫu tĩnh trong phép trừ ảnh. Sự biến đổi loga có thể thực hiện trên các tín
hiệu analog trước khi số hóa với bộ khuếch đại logarit. Tùy nhiên, hầu hết các hệ
thống hình ảnh hiện đang thực hiện chuyển đổi loga sau ADC với một cái nhìn lên
bảng số với một tỷ lệ giá trị mới cho logarit của nó.
4.3 Bộ nhớ hình ảnh và tích hợp vịng lặp hồi tiếp
Sau khi chuyển đổi loga và số hóa các tín hiệu video, hình ảnh được lưu trữ trong
bộ nhớ của bộ xử lí hình ảnh. Mỗi điểm ảnh trong hình ảnh kĩ thuật số được đại diện
bởi một số kĩ thuật số có tối thiểu là 10 bit tương ứng phạm vi số hóa của kĩ thuật
analog-digital.

8


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Thơng thường nhiều hơn hình ảnh được thêm vào ( tích hợp) để giảm thiểu nhiễu
và cải thiện SNR của hình ảnh. Giá trị trung bình được quy định bởi một vịng lặp hồi
tiếp, trong đó hình ảnh được lưu trữ trước đó trên cơ sở pixel-by-pixel. Nếu bộ xử lí có
10 bit chuyển đổi analog-digital, những hình ảnh đã lưu phải có ít nhất hơn 4 bit có sẵn
tương ứng khoảng 16-32 bit trên mỗi điểm ảnh. Điều này cho phép có thể lấy nhiều
ảnh của cùng một khu vực để tính trung bình hoặc thêm vào để làm giảm nhiễu trong
các hình ảnh thu được. Hầu như tất cả các bộ xử lí hình ảnh có nhiều hơn một bộ nhớ
phẳng và nhiều hơn 3 ảnh bộ nhớ đã lưu. Yêu cầu này là hiển nhiên trong trường hợp

chụp động mạch của phép trừ ảnh, ảnh mặt nạ được thu thập sau đó trừ đi ảnh mở
trong bộ nhớ thử hai. Trường hợp một chuổi các hình ảnh được thu nhận, tất cả chúng
đều có thể được lưu trữ tron bộ nhớ kỹ thuật số trong xử lí hình ảnh. Tuy nhiên, điều
này rất đắt tiền và một kĩ thuật nhiều khả năng là để trừ các hình ảnh. Tăng cường tín
hiệu tương phản và lưu trữ các hình ảnh trừ kết quả trên hệ thống truyền thông hoặc
đĩa quang.
4.4 Phép trừ ảnh
Trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền DSA thu được 2 ảnh. Ảnh thứ nhất
được gọi là ảnh mặt nạ, ảnh này nhận được trước khi có mơi trường tương phản là chất
cản quang được tiêm vào bệnh nhân. Ảnh thứ hai là ảnh cản quang, ảnh nhận được sau
khi có mơi trường tương phản là chất cản quang được tiêm vào cơ thể để nhận được
ảnh khi đạt độ tương phản của mạch máu từ ảnh.
Ảnh mặt nạ và ảnh cản quang có mơ hình tốn học được thừa nhận đó là bênh
nhân có bề dày xt, có hệ số suy giảm µt cường độ photon nguồn là I0 trước khi có mơi
trường tương phản là chất cản quang được tiêm vào cơ thể bệnh nhân. Cường độ

phooton phát ra từ bệnh nhân đến bộ khuếch đại ảnh là:
(1)
Sau đó thuốc cản quang được tiêm vào động mạch. Nếu động mạch có bề dày là x i
(với xi<< xt ) và độ suy giảm tuyến tính là µi, khối tăng sáng sẽ nhận được cường độ
ánh sáng là:
(2)
9


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Nếu α là hằng số chuyển đổi liên quan đến biên độ của tín hiệu video để photon

ánh sáng nhận bởi khối tăng sáng ảnh, tín hiệu ảnh mặt nạ và ảnh cản quang tạo bởi
camera là:
(3)
(4)
Chúng ta sử dụng phương trình (3) và (4) để giải thích sự khác nhau giữa phép trừ
các ảnh khơng có biến đổi logarit (phép trừ tuyến tính) và phép trừ ảnh sau khi biến
đổi logarit (phép trừ logarit)
4.5 Phép trừ tuyến tính
Một vài nghiên cứu về cơng nghệ xóa nền sử dụng thuật tốn trừ tuyến tính để
cách ly tín hiệu cản quang. Trong phép trừ tuyến tính, ảnh cản quang bị trừ từ ảnh mặt
nạ mà không có biến đổi logarit.
Nếu SLin là phép trừ ảnh, khi đó phép trừ ảnh tuyến tính nhận được kết quả có dạng
là:
(5)
Nếu ta thừa nhận tín hiệu tương phản khi sử dụng iot làm chất cản quang có hệ số
tương phản µIxI << 1. Khi đó:
(6)
Các biểu thức trên, được sử dụng trong xử lí ảnh tuyến tính, khi coi bề dày của
chất iot là xI và bề dày của bệnh nhân là xt. Để nhận được các ảnh trong xử lí tuyến
tính thì phải giữ bệnh nhân ở trạng thái tĩnh lặng và phải đưa thêm chất cản quang
không mong muốn vào động mạch.
4.6 Phép trừ logarit
So với phép trừ ảnh tuyến tính thì trừ ảnh loga khơng phải giữ bệnh nhân ở trạng thái
tĩnh, khi thay đổi cơ thể làm mờ ảnh hoặc làm nhỏ tín hiệu cản quang. Dữ liệu ảnh mặt
nạ và ảnh cản quang được trừ sau khi được số hóa và được biến đổi loga.
Phép tốn trừ ảnh loga Slog có:
10


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

(7)
Cho nên kết quả tín hiệu trừ loga có liên quan đến tín hiệu iot và tín hiệu khơng chân
thực về bề dày bệnh nhân hoặc cấu trúc tĩnh của đối tượng khi trong mạch có chất cản
quang.
4.7 Hiển thị ảnh và lưu trữ
Sau khi xử lí, các hình ảnh kĩ thuật số được đưa đến bộ chuyển đổi DAC, tạo ra một
tín hiệu video tương tự hiển thị trên một màn video. Các dữ liệu hình ảnh có thể được
hiển thị cho việc chẩn đốn hình ảnh.
Các tín hiệu video tương tự cũng có thể được lưu trữ sử dụng một máy ghi video
cassette hoặc một đĩa cứng cho việc lưu trữ. Dải động của công nghệ cũ là khoảng
200:1 so với 1000:1 dải động của các video camera. Tuy nhiên việc ghi hình kĩ thuật
số mới đảm bảo được tính kĩ thuật tốt nhất của hình ảnh X-quang.
Với độ tin cậy của của dữ liệu hình ảnh, tuy nhiên lưu trữ hình ảnh kỹ thuật số bằng
các thiết bị đĩa từ, băng từ, đĩa quang, giúp tránh được các nhiễu không mong muốn.
Lưu trữ ảnh kĩ thuật số là cần thiết khi hình ảnh ghi lại được trừ, và rất hữu ích khi mở
rộng xử lý (hình ảnh được lơng ghép) sẽ được thực hiện. Những nhược điểm chính của
lưu trữ kỹ thuật số là nó đắt hơn so với kĩ thuật tương tự, và địi hỏi một bộ xử lí hình
ảnh kĩ thuật số để hiển thị.
5. NHIỄU TRONG CHỤP XÓA NỀN
Sơ lược lại, nếu một tín hiệu X-Quang gồm N photon, thì độ bất ổn (ví dụ: độ lệch
chuẩn) trong tín hiệu đó là N, vì thế photon suy giảm theo poisson thống kê. Giả sử
rằng điện áp đầu ra lớn nhất của các video camera là Vmax tại Nmax photon, tín hiệu
video tương ứng với N photon cho bởi các mối quan hệ tương xứng:
(8)
Trong trường hợp cả Nmax và Vmax là hằng số cho bất kì cấu hình một hệ thống. Do đó,
sự khơng ổn định trong các tín hiệu video do các nguồn thống kê lượng tử là:
(9)

11


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Các nhiễu điện tử của video camera thường đặc trưng về dải động cảu camera, xác
định là tỉ số tín hiệu video đỉnh Vmax chia cho độ lệch chuẩn (Ʃe) của tín hiệu video.
Nếu D là độ rộng của video camera, tiếp theo độ lệch chuẩn σe của các nhiễu điện tử
được cho bởi:
(10)
Cuối cùng các nhiễu lượng tử là loại nhiễu được đưa vào khi tín hiệu tương tự nó được
số hóa. Nếu ∆ là độ rộng của bước lượng tử hóa (nghĩa là khoảng thời gian liên quan
đến ít nhất bit quan trọng của bộ chuyển đổi ADC) nới tấ cả các giá trị µl - ∆/2 đến µl
+ ∆/2 là đều có khả năng và được chuyển đổi thành các µl giá trị của ADC, sau đó
phương sai của lỗi lượng tử là:
(11)
5.1 Nhiễu hệ thống trọng chụp mạch xóa nền
Nhiễu hệ thống khác nhau trong chụp mạch bằng phương pháp xóa nền thu nhận bằng
cách thêm nhiễu khác từ mỗi phần tử của hệ thống. Coi các nhiễu là độc lập. Trong
tính tốn, ta giả sử hệ thống ảnh gồm có một camera truyền hình quan sát tín hiệu
photon đầu ra của bộ khuếch đại ảnh và sai số lượng tử hóa được gây ra bởi bộ chuyển
đổi tương tự- số là không đáng kể.
Đầu camera bao gồm thành phần Vq tương ứng với độ phát xạ đưa vào photpho và
thêm số hạng thay đổi theo thời gian Ve được sinh ra từ “dark current” của hệ thống:
V = Vq + V e

(12)

Tham số ở đầu ra tín hiệu video được tính tốn
theo bình phương độ sai lệch:
(13)
Ta thấy các thành phần từ bộ “Video dark
current” σe và nguồn lượng tử thống kê σq được
Hình 10: Biểu đồ tín hiệu đầu ra của video camera

cộng vào phép cầu phương và đưa ra tổng số
nhiễu σe trong hệ thống video.

12


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Thay các biểu thức nhận được từ trên vào
(13) chúng ta nhận được nhiễu của tín
hiệu video có quan hệ với số lượng các
photon (N), số lượng các photon cho mỗi
điểm ảnh, độ rộng (D) của tín hiệu video
camera, mức tín hiệu video lớn nhất
(Vmax) và số lượng photon lớn nhất (Nmax)
tương ứng với tín hiệu video lớn nhất:

(14)
Bởi vậy tỉ số tín hiệu- nhiễu (SNR) với 100% độ tương phản trong hệ thống ảnh số là:
(15)
Từ đó tín hiệu video tương ứng có quan hệ với cường độ photon (N= Các photon/điểm

ảnh):
(16)
Chúng ta thấy tỉ số tín hiệu- nhiễu có quan hệ cới số lượng các photon N làm ảnh
hưởng tới tín hiệu vào photon của bộ khuếch đại ảnh ( Nếu hấp thụ 100% được):
(17)
Bây giờ chúng ta sẽ khảo sát mỗi quan hệ này trong một số trường hợp đặc biệt quan
trọng:
TH1: Hệ thống dải High Dynamic (hệ thống lí tưởng)
Nếu hệ thống khẩu độ camera D là rất lớn, tiếp theo hệ thống tỉ số tín hiệu- nhiễu (17)
giảm đến SNR = (18). Trong trường hợp nhiễu điện tử là không đáng kể hệ thống
DQE thống nhất. Do đó, khi khẩu độ D là rất lớn nhiễu được sinh ra bởi photon thống
kê và poisson phân phối.

13

Hình 11: Biểu đồ tỷ số tín hiệu- nhiễu trong ảnh trừ


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

TH2: Mức tín hiệu cao (N = Nmax )
Nếu chúng ta có một hệ thống đang hoạt động ở một mức độ tín hiệu cao mà số lượng
các photon sử dụng để tạo ra các hình ảnh là gần với giá trị tối đa:
(19)
Ví dụ: Một chiếu xạ của tia X = 16mR, một vùng pixel 0.5mm x0.5mm, E = 60keV,
Độ rộng khẩu độ video camera D= 1000. Ở tuổi 60keV, khối lượng hệ số hấp thu năng
lượng của khơng khí là:
(20)

Do đó, cường độ dòng photon ở 60keV tương ứng với một tiếp xúc của X = 16MR là:
(21)
Qua vùng pixel 0.5mm x 0.5mm, số lượng photon là :
Nmax = (5.03 x 108 photons/cm2)(0.05cm)2 = 1.26x106 photons

(22)

Do đó, hệ thống tỉ số tín hiệu- nhiễu ( tỉ lệ của tín hiệu tối đa Vmax chia cho độ lệch
chuẩn của hệ thống) là :
(23)
Tại điểm này, chúng ta cần mức độ tỉ số tín hiệu- nhiễu là đủ để nhìn thấy một đối
tượng tương phản nhỏ thấp trong một hình ảnh ồn ào. Câu hỏi này có thể được trả lời
bằng cách sử dụng khoảng mơ hình Rose có liên quan SNR, độ tương phản, kích thước
và độ dịng. Mơ hình Rose nói rằng :
k2 = C2A = C2N

(24)

với k = 5 ( một hằng số xác định SNR mà tại đó các tín hiệu tương phản thấp có thể
nhìn thấy) và:
N = A = Số photon sử dụng để hiển thị hình ảnh của khu vực A
C = mức độ tín hiệu tương phản = ∆N/N
φ = cường độ photon trong khu vực nền =
14


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

A = khu vực đối tượng
∆N = độ chênh lệc photon sử dụng của khu vực thăm khám và nền
Do đó, từ mơ hình Rose :
k2N = C2N2 = N2 = (∆N)2

(25)

Đặt N = σ2 là phương sai của nhiễu. Vì vậy, một cách khác để thể hiện mơ hình Rose:
kσ = ∆N

(26)

Trực quan, điều này nói lên rằng sự khác biệt giữa ảnh nền và ảnh cản quang chênh lệc
nhau k lần. Từ giá trị xuất phát của nhiễu tín hiệu tỉ lệ 100% tương phản.
SNR = N/σ

(27)

và sắp xếp lại theo định dang của (26) chúng ta có:
SNR σ = N

(28)

Bây giờ, chia phương trình (26) bởi phương trình (28) và thay thế các giá trị cho k từ
Rose mơ hình phương trình và SNR từ phương trình (23)
C = ∆N/N = k/SNR = 5/747 = 0.67%

(29)

Do đó, mức độ hoạt động nơi khuếch đại hình ảnh được chiếu xạ ở mức độ tối đa, độ

tương phản của một “bia” cảm quan là:
C = ∆N/N ≈ 1%

(30)

Lưu ý: Giới hạn độ tương phản thấp này được xác định là tỉ số SNR (hoặc k) từ mơ
hình hoa hồng để SNR sản xuất bởi hệ thống hình ảnh.
TH3:
Nếu N = 1/10 Nmax, thì:
(31)
Với Nmax = 1.26 x 106 photons và D = 1000 như trên chúng ta có SNR = 96.3. Từ biểu
thức (29), khi SNR = 96.3, mức độ tương phản quan sát được là:
15


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

C = ∆N/N = k/SNR = 5/96.3 = 5.2%

(32)

TH4:
Nếu N = 1/100 Nmax , thì:
(33)
Với Nmax = 1.26 x 106 photons và
D = 1000, chúng ta có SNR =
9.96 trong TH này chỉ mức độ
tương phản lớn hơn :

C = ∆N/N = k/SNR
= 5/9.96 = 50.2%
(34)
Có thể thấy trong hình ảnh. Tại
thời điểm trên, SNR của hình ảnh
được hạn chế bởi các nhiễu, khơng phải theo thống kê lượng tử.
6. CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH NHIỄU
6.1 Di chuyển của các điểm sáng:
Nếu như ảnh không nhận được cùng với số các photon lớn nhất Nmax điều này chắc
chắn phương pháp chụp X-Quang số nhận được cùng với các hệ thống khuếch đại ảnh
sẽ bị giới hạn chủ yếu bởi nhiễu điện. Điều này là chưa rõ ràng cho nên trong nhiều
trường hợp chúng ta phải đưa vào trạng thái không mong muốn, khi đó trường ảnh
gồm các vùng có độ phát tia X lớn. Điều này có thể làm nảy sinh ở phần rìa của bệnh
nhân hoặc trong các vùng cơ thể có khơng khí (Phổi hoặc khí trong ruột), các vùng có
phát tia X lớn nhận được ảnh ở mức tín hiệu video có trị số cực đại sát ngay các vùng
có độ phát xạ tia X thấp nhận được ảnh ở mức tín hiệu video thấp ở đó dữ liệu bị tổn
hao bởi nhiễu điện. Một kĩ thuật phổ biến để giảm bớt tổn hao này là đặt các túi nước
muối lên trên các chấm sáng hoặc đặt miếng nhôm tại chùm tia X đi qua để giảm độ
phát tia X tới các vùng ở bệnh nhân. Mơ hình lý tưởng nhất, đầu vào trường phát xạ
được biến đổi để nó phát ra một trường phát xạ không đồng nhất đến cơ thể bệnh nhân
16
Hình 12: Điểm sáng trong DSA


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

cho nên trường phát xạ bộ khuếch đại ảnh là đồng nhất. Trong TH này, tất cả các vùng
của bệnh nhân được ảnh có mức tín hiệu- nhiễu lớn nhất, khi đó có thể thu được mức

tín hiệu- nhiễu cao nhất trong tất cả các vùng của ảnh.
6.2 Vai trò của độ mở video camera
Một phương pháp khác để cải thiện tỷ số tín hiệu- nhiễu trong chụp mạch bằng
phương pháp xóa nền là tăng cường độ phát xạ tia X tới bệnh nhân, giảm bớt thành
phần nhiễu từ các nguồn định lượng thống kê. Tuy nhiên, một mức sáng đặc trưng
được phát tới bia camera sẽ cho ra một tín hiệu phản xạ video lớn nhất. Sự phát xạ tia
X không được tăng lên một cách vô hạn mà không cần điều chỉnh các thành phần khác
trong hệ thống điều này đảm bảo không vượt quá mức sáng lớn nhất. Độ mở video
camera có vai trò chủ yếu trong việc điều khiển định lượng nhiễu trong chụp mạch
bằng phương pháp xóa nền. Bởi vì độ mở nằm ở vị trí giữa đầu ra photon của bộ
khuếch đại ảnh và đầu vào quang học của video camera, ngồi ra việc giảm đường
kính độ mở dẫn đến giảm số lượng của tia sáng đi đến bia camera và làm giảm đáp
ứng của tín hiệu video nó cho một mức phát xạ tia X nhất định. Do đó, mức phát xạ tia
X phải được tăng lên khi đường kính độ mở giảm để duy trì một mức tín hiệu video
khơng đổi. Khi độ mở video camera được giảm số photon được sử dụng nhiều hơn để
thu được ảnh tại “the quantum sink” ( đầu vào photon của bộ khuếch đại ảnh) cho nên
tồn bộ tỷ số tín hiệu- nhiễu của tín hiệu video được tăng lên (giả sử điều chỉnh được
độ phát tia X để duy trì một tín hiệu video lớn nhất thoe ảnh bệnh nhân). Điều này làm
giảm mức độ nhiều định lượng thống kê và cải thiện tồn bộ đặc tính nhiễu của ảnh.
Điều đó là quan trọng đến vai trị mức phát xạ tia X và độ mở cảu video camera. Nếu
mức phát xạ X được tăng lên mà không cần điều chỉnh độ mở, khi đó ánh sáng được
làm tăng ở đầu ra của bộ khuếch đại ảnh có thể làm cho video camera vào trạng thái
bão hòa, kết quả cho ra một tín hiệu yếu, tức là được ổn định ở mức cực đại. Tương tự,
việc giảm độ mở camera, kết quả cho ra một tín hiệu video nhỏ. Thành phần định
lượng nhiễu có cùng tỷ lệ với tín hiệu video, nhưng tỷ số tín hiệu- nhiễu của tín hiệu
video sẽ được giảm đi một cách thích hợp để cố định mức nhiễu định lượng trong hệ
thống video. Vì vậy, độ mở camera phải được điều chỉnh để cung cấp một tín hiệu
video gần với mức lớn nhất để ngăn ngừa nhiễu điện và tín hiệu này tương ứng với
vùng cần quan trong cơ thể.
17

DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

6.3 Sự tích hợp ảnh
Một cách cuối cùng để cải thiện tỷ số tín hiệu- nhiễu hệ thống là phối hợp các xử lí
khác nhau đó là đưa sự gộp vào đồng thời 2 ảnh trước hoặc sau phép trừ để đưa ra một
mức trung bình của nhiễu trong các bức ảnh X-Quang số. Một cách đơn giản nhất
được thực hiện đó là sự tích hợp ảnh truyền hình ở đó có hai hoặc nhiều ảnh truyền
hình được gộp đồng thời với nhau, để cố gắng giảm các thành phần nhiêu định lượng
thống kê và nhiễu điện trong ảnh X-Quang số cuối cùng. Nếu có M ảnh truyền hình
được gộp đồng thời với nhau, ở đó tất cả ảnh truyền hình gần như giống hệt nhau, ở đó
tất cả ảnh truyền hình gần như giống hệt nhau chúng cho phép loại ra nhiễu ngẫu
nhiên, và nếu σ tượng trưng cho nhiễu trong mỗi ảnh, lúc nhiễu trong ảnh kết hợp
được tăng lên bằng M1/2σ khi tín hiệu tăng lên bằng M. Vì vậy cải thiện được tỷ số tín
hiệu- nhiễu bằng M1/2 sự tích hợp khung ảnh truyền hình có lợi trong việc làm giảm tác
động của nhiễu định lượng thống kê cũng như nhiễu điện. Khi so sánh, sự tăng dần độ
phát xạ tia X cho mỗi ảnh truyền hình làm tăng duy nhất sự tác động của nhiễu định
lượng. Tuy nhiên, sự tích hợp ảnh truyền hình thường khơng có lợi, ở đó có thể xảy ra
nhiều chuyển động “Artifacts” khơng mong muốn, từ đó kéo dài thời gian tính tốn để
thu nhận một ảnh tích hợp.
7. ĐỘ PHÂN GIẢI KHƠNG GIAN TRONG DSA
Có một vài thừa số liên quan đến khoảng phân giải trong chụp mạch bằng phương
pháp xóa nền chụp ảnh số. Thứ nhất đó là khổ ma trận số (512x512 hoặc 1024x1024)
được sử dụng để thu nhận dữ liệu ảnh. Thứ 2 là khoảng phân giải ảnh được thu nhận
cùng với việc khuếch đại ảnh. Thứ 3 đó là độ lớn của góc tù được bắt đầu từ điểm giới
hạn trung tâm tới ống tia X, tại đó cơ bản đã cân đối giữa sự tăng lên về chi tiết đối
tượng điều đó có thể nhận được nhờ việc phóng đại ảnh và làm mất đi chi tiết của đối

tượng nhờ góc tù. Sự biểu hiện của việc tăng thêm chi tiết của đối tượng cùng với sự
phóng đại lớn nhất nhờ việc bố trí trước khoảng phân giải trong bộ khuếch đại ảnh và
ma trận số.
Nếu một hình ảnh được ghi lại với độ phóng đại đối tượng của M và nếu vị trí đầu mối
có chiều rộng “a”, chiều rộng của các điểm đầu mối khi chiếu lên máy dò (M-1)a.
Chiều rộng này là tương đương với một cấu trúc trong mặt phẳng đối tượng Do đó
chúng ta có cơng thức đặc trưng tấn số cắt (Tần số bị đàn áp bởi unsharpness) của
18


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

điểm đầu mối làm mờ (ví dụ: Hình học unsharpness) do nghịch đảo của độ rông phân
giải:
(35)
Tương tự như vậy, chiều rộng độ phân giải của d cho khếch đại ảnh là trong mặt
phẳng đối tượng, cho một cut-off tần số từ khuếch đại hình ảnh:
(36)
Cuối cùng, nếu độ rông của detector là D và hình ảnh được số hóa thành một ma trận
NxN, tần số Nyquist áp đặt một giới hạn về tần số khơng gian có thể được sao chép
một cách trung thực trong hình ảnh. Đối với một đối tượng độ phóng đại của M, tần số
không gian hạn chế Udig áp đặt bởi q trình xử lí số là:
(37)
Sự thỏa hiệp giữa việc giảm và tăng góc tù trong detector cùng với việc tăng độ phóng
đại đối tượng là tốt nhất được xem xét trên biểu đồ tần số cắt đối với các điểm hội tụ
mờ và đáp ứng detector như một chức năng sự phóng đại đối tượng biểu diễn sự phân
bố đường cong “ điểm gốc” theo sự tăng dần độ phóng đại và mất dần sự phân giải (Sự
giảm khoảng tần số cắt) nhờ có góc tù.

Một đốm sáng có tiêu cự a = 1mm là phổ biến trong chụp mạch xóa nền, tương ứng
với một tần số cắt:
(38)
Chúng ta sẽ xem xét hai thành phần khác nhau của độ phân giải máy dị, từ khuếch đại
hình ảnh và từ ma trận hình ảnh kĩ thuật số. Hình ảnh khuếch đại (II) có độ phân giải
khơng gian khoảng d = 0.2mm cho một tần số cắt:
UII = 5M mm-1

(39)

Nếu chúng ta giả định rằng một ma trận hình ảnh 512x512 được sử dụng để số hóa
một khu vực trịn ghi xem với đường kính 23cm (khoảng 9 inches), sau đó chiều rộng
pixel :
(40)
19


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

Điều này mang lại một cut-off
tần số khơng gian của:
Udig = 1.11M mm-1
(41)
Trong ví dụ này, ma trận hình
ảnh số chứ khơng phải hình
ảnh khuếch đại giới hạn độ
phân giải khơng gian của các
máy dị mức thấp phóng đại.

tuy nhiên, ở độ phóng đại cao
hơn, góc tù trở nên khó giải
quyết hơn. Giao điểm giữa các
khơng gian cắt đường cong tần
số cho ma trận hình ảnh kĩ
thuật số và làm cho chỗ đầu mối chỉ ra độ phóng đại tại đó độ phân giải của hệ thống
của hình ảnh là tối ưu.

Hình 13: Góc tù trong detector

20


DIGITAL SUBTRACTION ANGIOGRAPHY

Lê Nam Long| 20132366

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Thiết kế hệ thống X-Quang số..........................................................................2
Hình 2: Temporal Subtraction........................................................................................3
Hình 3: Điều chỉnh độ sáng cho hình ảnh......................................................................4
Hình 4: Sơ đồ video camera...........................................................................................4
Hình 5: Quét video.........................................................................................................5
Hình 6: Chiếu xạ xen kẽ................................................................................................6
Hình 7: Tiếp xúc với xung Progressive..........................................................................6
Hình 8: Hệ thống xử lí ảnh số........................................................................................7
Hình 9: Thành phần hệ thống DSA................................................................................7
Hình 10: Biểu đồ tín hiệu đầu ra của video camera.....................................................12
Hình 11: Biểu đồ tỷ số tín hiệu- nhiễu trong ảnh trừ....................................................14
Hình 12: Điểm sáng trong DSA...................................................................................17

Hình 13: Góc tù trong detector....................................................................................21

21