Nghiên cứu công nghệ chẩn đoán hình ảnh bằng máy CT đa lát cắt và ứng dụng tại các bệnh viện ở việt nam

Luận văn tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh của khoa học và kỹ thuật nói chung, việc ứng
dụng các thành tựu phục vụ trong lĩnh vực y tế cũng không ngừng lớn mạnh. Cùng với
sự phát triển này là sự xuất hiện của một chuyên ngành kỹ thuật thuộc nhóm ngành
điện tử, đó chính là chun ngành Kỹ thuật Y Sinh. Trên thế giới, chuyên ngành này
đã có các bước phát triển mạnh mẽ và đóng vai trị khơng thể thiếu trong lĩnh vực y tế
nói riêng và phục vụ cuộc sống của con người nói chung. Đối với nước ta, đây là một
chuyên ngành mới chỉ được đưa vào giảng dạy ở một vài trường đại học lớn.
Trong lĩnh vực Kỹ thuật Y sinh, một bộ phận hết sức quan trọng là nghiên cứu
khai thác sử dụng các loại trang thiết bị y tế. Trong đó nhóm các thiết bị chuẩn đốn
hình ảnh chiếm số lượng tương đối lớn và đóng vai trị quan trọng không thể thiếu
trong y tế hiện nay.
Nội dung luận văn thực hiện một vấn đề tương đối phức tạp, trong quá trình
nghiên cứu cơ hội được tiếp cận trực tiếp với thiết bị cũng như các tài liệu thuyết minh
kỹ thuật là rất hạn chế. Vì vậy khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong
được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sỹ, chủ nhiệm bộ mơn kỹ thuật
y sinh Nguyễn Thái Hà. Trong q trình thực hiện tôi đã được sự giúp đỡ rất tận tình
của cơ và các giảng viên trong bộ mơn kết hợp với các anh chị trong khoa chẩn đốn
hình ảnh của bệnh viện Bạch Mai, TWQĐ 108… Cho phép tôi được bày tỏ lịng biết
ơn chân thành đến cơ và mọi người đã giúp tơi hồn thành xong luận văn tốt nghiệp.

Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2015

Người thực hiện: Lê Văn Thịnh

1
Lê Văn Thịnh

Luận văn tốt nghiệp

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tính chất cơ bản của tia X
Nội dung của chương là tìm hiểu quá trình nghiên cứu, phát triển ra tia X yếu tố quyết
định để phát triển ra các thiết bị X quang sau này. Nguyên lý hoạt động cũng như các
thuộc tính cơ bản, sự tác động của nó vào vật chất.
Chương 2: Tổng quan hệ thống máy chụp cắt lớp điện toán CT Scanner
Chương này trình bày lịch sử hình thành và quá trình phát triển, cải tiến mạnh mẽ các
thế hệ máy CT phục vụ trong y học
Chương 3: Cấu trúc hê thống máy CT đa lát cắt
Nội dung của chương là tìm hiểu về cấu tạo các bộ phận quan trọng của máy CT,
nguyên lý hoạt động và quá trình tái tạo hình ảnh.
Chương 4: Ứng dụng máy CT đa lát cắt trong y tế và thực trạng sử dụng tại một số
bệnh viện ở nước ta hiện nay.
Nội dung của chương nêu lên tầm quan trọng và ý nghĩa của máy CT trong chẩn đoán
lâm sàng
Ứng dụng của máy trong chỉ định chẩn đốn hình ảnh và thực trạng sử dụng khai
thác máy trong một số bệnh viện ở nước ta hiện nay
Kết quả đạt được khi sử dụng máy CT đa lát cắt trong chẩn đoán bệnh động mạch
vành.

2
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CT :

Computed Tomogranphy

MSCT: Multi Slice Computed Tomogranphy
MDCT: Multi Detector Computed Tomogranphy
CLVT: Cắt lớp vi tính
BN:

Bệnh nhân

3
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguồn bức xạ tia X
Hình 1.2. Phân bố dải sóng của tia Rơnghen
Hình 1.3 Sự phụ thuộc của phổ phát xạ tia X vào điện áp
Hình 1.4. Quan hệ giữa hệ số suy giảm tuyến tính và năng lượng tia X.
Hình 2.1 Hounsfield và chiếc máy CT thế hệ đầu tiên
Hình 2.2 Máy CT đa lát cắt Discovery
Hình 2.3: Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ nhất
Hình 2.4 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ hai
Hình 2.5 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ ba
Hình 2.6 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ tư

Hình 2.6 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ tư
Hình 2.7 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ năm
Hình 2.8 So sánh máy đơn lớp và máy hai lớp cắt
Hình 2.9 Chụp CT xoắn ốc
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống chụp xoắn ốc
Hình 2.11 Thể hiện mức độ bao phủ của chùm tia X trên phần cơ thể được khám xét:
Hình 2.12 Máy CT hai nguồn phát tia
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống máy chụp cắt lớp vi tính
Hình 3.2 Hệ thống bên ngồi giàn quay
Hình 3.3 Cấu tạo bên trong giàn quay
Hình 3.4 Bóng X quang trong máy CT
Hình 3.5 Nguồn cấp năng lượng bóng X - quang ba pha
Hình 3.6 Ống chuẩn trực
Hình 3.7 Hệ thống dãy đầu dị
Hình 3.8 Cấu tạo các phần tử đầu dị
Hình 3.9 Ngun tắc detector ion hố chất khí.
Hình 3.10 Sự ion hóa, kích thích, và bẫy điện tử
Hình 3.11 Ống nhân quang điện tử
Hình 3.12 Giường BN
Hình 3.13 Hình ảnh chụp cắt lớp được ghi lại trên phim
4
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
Hình 3.14 Sơ đồ thu nhận thơng tin trong chụp cắt lớp
Hình 3.15 Hệ toạ độ nghiên cứu gắn với đầu quét
Hình 4.1 Máy CT 128 dãy Hitachi đang được lắp đặt tại khu nhà Nhật
Hình 4.2 Máy CT 64 dãy tại phịng 111 nhà Nhật
Hình 4.3 Máy CT hiện đại nhất của bệnh viện 108

Hình 4.4 Máy Toshiba Aquilion One 640 lát cắt
Hình 4.5 Khơng thấy dấu hiệu thuyên tắc phổi
Hình 4.6 Động mạch vành mũ chiếm ưu thế, vơi hóa kèm xơ vữa LAD
Hình 4.7 Khơng thấy tổn thương nhu mơ phổi và màng phổi
Hình 4.8 Động mạch chủ ngực khơng thấy phình, khơng thấy bóc tách

5
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ 2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................. 3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. 4
MỤC LỤC .................................................................................................................. 6
Chƣơng 1 .................................................................................................................. 11
TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA TIA X ..................................................................... 11
1.1 Nguyên lý hoạt động tia X ........................................................................ 11
1.2 Các thuộc tính của tia X .......................................................................... 12
1.2.1 Cường độ của chùm tia ................................................................................ 12
1.2.2 Năng lượng của chùm tia ............................................................................. 12
1.2.3 Liều lượng ..................................................................................................... 12
1.2.4 Tia cứng, tia mềm và quá trình làm cứng tia ................................................ 13
1.2.5 Chất lượng tia .............................................................................................. 13
1.2.6 Sự bức xạ tia X: ........................................................................................... 13
1.3 Tính chất vật lý của tia X, sự lan truyền tia X trong vật chất .............. 16

Chƣơng 2 .................................................................................................................. 19
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN CT
SCANNER ................................................................................................................ 19
2.1 Giới thiệu ................................................................................................... 19
2.2 Kỹ thuật chụp CT và X quang cổ điển. ................................................. 19
2.3 Lịch sử phát triển kỹ thuật chụp CT. ..................................................... 20
2.4 Các thế hệ máy CT ................................................................................ 22
2.4.1 Máy CT thế hệ thứ nhất............................................................................ 23
2.4.2

Máy CT thế hệ thứ hai.............................................................................. 24

2.4.3

Máy CT thế hệ thứ ba:.............................................................................. 24

2.4.4

Máy CT thế hệ thứ tư: .............................................................................. 25

2.4.5

Máy CT thế hệ thứ năm: .......................................................................... 26

2.4.6

Phân loại theo phép chiếu các thế hệ máy CT ........................................... 26

2.4.7

Yếu tố ảnh hưởng đến các thế hệ máy chụp cắt lớp ................................. 27

2.5 Công nghệ máy CT đa dãy đầu dị ...................................................... 27
2.6 Cơng nghệ chụp xoắn ốc ....................................................................... 29
2.7 Máy chụp cắt lớp hai nguồn phát tia X ................................................ 32
6
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
2.7.1

Ưu điểm của hệ thống chụp cắt lớp 2 nguồn (Definition Flash) .............. 32

2.7.2

Ứng dụng của hệ thống chụp cắt lớp 2 nguồn ......................................... 33

CẤU TRÚC HỆ THỐNG MÁY CT ĐA LÁT CẮT ............................................. 34
3.1 Sơ đồ hệ thống của máy CT ..................................................................... 34
3.2 Chức năng của từng bộ phận .................................................................. 35
3.2.1 Giàn quay ................................................................................................... 35
3.2.2

Hệ thống máy tính, tái tạo ảnh (CPU) ....................................................... 47

3.2.2

Bàn bệnh nhân .......................................................................................... 48

3.2.4

Bàn điều khiển .......................................................................................... 48

3.2.5

Máy chụp phim .......................................................................................... 48

3.3 Nguyên lý hoạt động của máy CT ....................................................... 48
3.3.1 Máy hoạt động theo nguyên lý: .................................................................. 48
3.3.2 Nguyên lý tái tạo ảnh .................................................................................. 50
Chƣơng 4: ................................................................................................................. 62
ỨNG DỤNG MÁY CT ĐA LÁT CẮT TRONG Y TẾ VÀ THỰC TRẠNG SỬ
DỤNG TẠI MỘT SỐ BỆNH VIỆN Ở NƢỚC TA HIỆN NAY. ......................... 62
4.1 Chỉ định sử dụng máy CT đa lát cắt trong chẩn đốn hình ảnh ...... 62
4.2 Chỉ định chụp cắt lớp vi tính trong lâm sàng ........................................ 62
4.2.1 Sọ não ........................................................................................................... 62
4.2.2. Chụp cắt lớp vi tính tồn thân ...................................................................... 63
4.3 Chụp cắt lớp vi tính khơng dùng thuốc cản quang ........................... 68
4.4 Chụp cắt lớp vi tính có áp dụng chất cản quang ................................ 70
4.4.1 Đưa vào khoang tự nhiên và đưa vào lòng mạch. ........................................ 70
4.4.2 Chống chỉ định tiêm thuốc cản quang .......................................................... 71
4.5 Quá trình chụp cắt lớp vi tính ............................................................. 71
4.5.1 Trước khi chụp ........................................................................................... 71
4.5.2

Trong khi chụp ......................................................................................... 72

4.5.3

Sau khi chụp ............................................................................................. 72

4.6 Chống chỉ định sử dụng chụp CT.......................................................... 73
4.7 Lƣợng nhiễm xạ trong chụp cắt lớp vi tính .......................................... 73
4.8 Những ƣu điểm và hạn chế của máy CT ............................................... 75
4.8.1 Ưu điểm của CT so với X-quang thông thường .......................................... 75
4.8.2 Những hạn chế của máy CT ......................................................................... 75
4.9 Ứng dụng các máy CT đa lát cắt tại một số bệnh viện ở nƣớc ta hiện nay
........................................................................................................................... 76
7
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
4.10 Ứng dụng chụp cắt lớp vi tính động mạch vành bằng máy Toshiba
AquilionOne (640 MSCT) .............................................................................. 83
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 92

8
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

ĐẶT VẤN ĐỀ
Những ý tưởng đầu tiên về xây dựng thiết bị chụp hình X - Quang chỉ bắt đầu kể từ
khi xuất hiện tia X. Đó là vào năm 1895, khi nhà bác học Rơnghen (Vithelm Konrad
Rontghen) người Đức, trong q trình nghiên cứu sự phóng điện ở khí kém, đã phát
hiện thấy một loại tia có khả năng đâm xun qua lớp vật chất (bình thuỷ tinh), làm

đen kính ảnh... Nó được đặt là tia X và thường gọi là tia Rơnghen.
Tia X có đặc trưng dải sóng nhỏ hơn tia tử ngoại và lớn hơn tia gamma, được ứng
dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: kỹ thuật kiểm tra sản phẩm, kỹ
thuật điều khiển tự động, sinh học..., vì vậy năm 1901 Rơnghen đã được nhận giải
Nobel khoa học bởi phát minh quan trọng này
Trong y học và sinh học, tia X được ứng dụng theo hai hướng chính:
Thứ nhất, Tác dụng của tia X lên vật chất.
Thứ hai, Đặc tính của chùm tia phản ánh cấu trúc vật chất sau khi xuyên qua lớp vật
chất.
Sự ra đời của máy chụp X - quang đã hỗ trợ rất nhiều cho bác sĩ trong cơng tác chẩn
đốn và điều trị bệnh. Tuy nhiên, các máy X - quang thơng thường có nhiều nhược
điểm như:
- Độ phân giải không cao.
- Ảnh X - quang thực chất là sự chồng lên nhau của các ảnh từ các bộ phận cơ thể
nằm trên đường đi của tia X. Điều này không cho phép chẩn đốn chính xác các loại
bệnh có liên quan đến thay đổi cấu trúc bên trong, nhất là để xác định các khối u, dị
vật, các tổn hại cơ học của mạch máu, mô…
Để giải quyết vấn đề cơ bản trên đây của X - quang thông thường, tức là để có được
hình ảnh riêng rẽ của từng lớp cắt đối tượng. Đầu tiên vào năm 1917, Radon nhà toán
học Úc đã chứng minh được định lý sau:
“Hình ảnh của một đối tượng 2 hoặc 3 chiều có thể được tái tạo lại từ một
tập hợp vô hạn những dữ liệu thu được từ các phép chiếu qua nó”.

9
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
Đây là nguyên lý cơ sở của kỹ thuật chụp cắt lớp. Tuy nhiên phải tới hơn 50 năm
sau cùng với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ máy tính, những bước đi đầu tiên

trong thực nghiệm và chế tạo máy chụp cắt lớp mới được bắt đầu. .
Ở Việt Nam, hiện nay hầu hết các bệnh viện đã ứng dụng các máy chụp cắt lớp trong
chẩn đốn hình ảnh là một trong những thiết bị chẩn đốn hình ảnh được sử dụng rộng
rãi nhất để phục vụ chẩn đoán bệnh. Đây được coi là một trong những thiết bị mới và
hiện đại nhất trong hệ thống thiết bị chẩn đốn hình ảnh ở nước ta. Với hệ thống chụp
cắt lớp điện tốn thì hình ảnh vùng thăm khám được thể hiện rõ nét chất lượng cao về
cấu trúc cơ thể con người, giúp cho bác sỹ dễ dàng chẩn đoán bệnh hơn. Mặc dù CTscanner được sử dụng rộng rãi nhưng bản thân nó lại là một thiết bị phức tạp và đắt
tiền. Do đó việc được tiếp cận thực tế với thiết bị để có thể tiến hành nghiên cứu, khai
thác sử dụng một cách hiệu quả là rất hạn chế.
Mặt khác, xuất phát từ thực tế học tập và giảng dạy đối với các học viên thuộc chuyên
ngành Kỹ thuật y sinh còn mới ở nước ta nên chưa có nhiều các cơng cụ và mơ hình
thí nghiệm phục vụ cho q trình học tập và nghiên cứu. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu
cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh bằng máy CT đa lát cắt và ứng dụng tại các bệnh
viện ở Việt Nam” được đặt ra với mục đích nghiên cứu hệ thống trên cơ sở lý thuyết
và quá trình thực tế tìm hiểu về hoạt động, nhu cầu sử dụng tại một số bệnh viện lớn
hiện nay.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
 Tìm hiểu đƣợc mục đích và q trình phát triển của máy CT đa lát cắt
 Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống máy chụp cắt
lớp
 Ứng dụng của máy trong chẩn đoán lâm sàng và thực trạng sử dụng
các máy CT đa lát cắt trong một số bệnh viện ở nƣớc ta hiện nay.

10
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

Chƣơng 1
TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA TIA X
1.1 Nguyên lý hoạt động tia X
Tia X - quang có bản chất là sóng điện từ. Mỗi tia X được tạo ra khi có một electron
trong chùm electron bay tới Anốt và tương tác với nguyên tử của nó. Sự tương tác này
làm cho electron ở quỹ đạo năng lượng thấp K của nguyên tử chuyển lên quỹ đạo có
mức năng lượng cao hơn L, M…, sau đó nó quay lại quỹ đạo cũ và phát ra phôtôn
năng lượng X - quang, gọi là bức xạ đặc trưng (Characteristic Radiation) có năng
lượng xác định theo cơng thức.
h  h

c



 E L , M ...  E K

Các mức năng lượng K, K tượng trưng cho sự chuyển đổi năng lượng giữa
các quỹ đạo khác nhau trong nguyên tử.
Bức xạ đặc trưng được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của vật chất
và không được dùng trong các ứng dụng X - quang y học.
Một kiểu tương tác thứ hai là sự chiếu xạ liên tục của các electron tới anốt tạo
thành phổ phát xạ X - quang, gọi là Bức xạ hãm (Bremsstrahlung Radiation). Bức xạ
này hình thành do sự thay đổi đột ngột tốc độ của chùm electron khi gặp bề mặt anốt,
làm giảm tức thời động năng electron và một phần của lượng giảm này chuyển thành
năng lượng tia X - quang.
Bức xạ hãm chứa hầu hết năng lượng tia X - quang, vì vậy nó rất quan trọng
trong các ứng dụng y học dựa trên cơ sở sự hấp thụ năng lượng hay đúng hơn là trong
phép đo lường liên quan tới bước sóng, như là trong các nghiên cứu tinh thể học sử
dụng tia X - quang.

Khi tăng điện áp anốt ở điều kiện dịng tia khơng đổi sẽ làm tăng năng lượng
các electron trong chùm. Thực tế, năng lượng của electron khi đập vào anốt được cho
bởi biểu thức:
Ee = e. VA
ở đây e là điện tích electron (e= -1.602 x 10 -19 C).

11
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
Ee được tính theo đơn vị eV.1 eV là năng lượng thu được từ một
electron được tăng tốc bởi điện áp 1V.
Mặt khác, khi electron tương tác với nguyên tử của anốt sẽ tạo ra photon
X - quang có năng lượng phù hợp với cơ học lượng tử theo công thức:

Ep = h. f
Ở đây h là hằng số Planck (h= 6.625 x 10 -34 Js); f là tần số của photon. Từ những
phân tích trên cho thấy: khơng thể có phơtơn X - quang có năng lượng lớn hơn năng
lượng của electron sinh ra nó trong tương tác. Như vậy năng lượng phôtôn hãm không
thể vượt quá giá trị e. VA và được giới hạn bởi điện áp anốt.
Nguồn phát xạ tia X là ống tia rơnghen hay gọi tắt là bóng X quang (Hình 1.1)
1.2 Các thuộc tính của tia X
- Tia X khơng quan sát được bằng mắt thường.
- Có thể đâm xuyên qua hầu hết mọi vật chất, khi xuyên qua vật chất, tia X bị hấp thụ.
- Độ suy giảm, nói cách khác là độ hấp thụ tia X phụ thuộc vào loại vật chất
- Tia X có tác dụng làm đen giấy ảnh
1.2.1 Cường độ của chùm tia
Là năng lượng mà tia X xuyên qua một đơn vị diện tích đặt vng góc với tia X trong
một giây.

1.2.2 Năng lượng của chùm tia
Là phổ của tia X phát ra từ năng lượng của vật rắn do tương tác với các bức xạ
1.2.3 Liều lượng
Liều bức xạ được thể hiện bằng Sievert (Sv) theo tên của tiến sỹ Rolf Sievert, người
Thuỵ Điển đi đầu trong lĩnh vực an tồn bức xạ. Nó thể hiện tổng năng lượng bức xạ
hấp thụ bởi tế bào sống và mức độ ảnh hưởng sinh học mà nó gây ra. Vì Sv là một
đơn vị đo lường tương đối lớn nên người ta thường dùng mili Sievert (mSv). Liều bức
xạ tự nhiên trung bình đối với một người là từ 0,001 đến 0,002 Sv hoặc là từ 1 - 2
mSv/năm. Radon trong nhà trung bình tạo ra liều bổ sung khoảng 1 - 3 mSv/năm,
những ngôi nhà bị ảnh hưởng nặng, thì liều ở đó có thể cao hơn đến 10 hoặc 100 lần.
Một lần chụp X quang thường phải chịu liều từ 0,2 đến 5 mSv.

12
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
1.2.4 Tia cứng, tia mềm và quá trình làm cứng tia
Tia X thực chất cũng là bức xạ điện từ nhưng có bước sóng ngắn, nằm trong dải từ
0,01 (angstrom) tới 10 , hoặc thậm chí dài hơn. Các tia X có bước sóng ngắn hơn 1 gọi
là tia X cứng và dài hơn 1 gọi là tia X mềm
Để tăng độ cứng của tia X, nghĩa là giảm bước sóng của nó, ta tăng hiệu điện thế hai
cực của ống.
1.2.5 Chất lượng tia
Chất lượng của tia phụ thuộc vào cao áp và tản nhiệt của anot quay
1.2.6 Sự bức xạ tia X:

Hình 1.1 Cấu tạo nguồn bức xạ tia X
Nguyên tắc hoạt động của bóng X quang diễn ra như sau:
Điện thế nguồn sợi đốt VF gây ra một dòng điện IF chạy qua cuộn sợi đốt và

làm nóng catốt. Các electron ở catốt được nung nóng bứt ra khỏi bề mặt đi vào vùng
chân khơng của bóng. ở một điện thế anốt VA đủ lớn, các electron này bay tới anốt và
13
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
tạo thành dòng tia điện tử IB, giá trị VA của bóng rất cao (cỡ hàng trăm kV), điện áp
cao này bắt các electron chuyển động với tốc độ lớn (có gần 1% số các electron này
thâm nhập vào trong bề mặt anốt) tương tác với các nguyên tử và phát ra tia X - quang
có khả năng đâm xun qua bóng ra ngồi.
Để hiểu tia rơnghen được tạo ra như thế nào, điều quan trọng trước hết chúng
ta phải xem xét dòng tia IB:
Các electron bứt ra khỏi catốt được là do cuộn dây sợi đốt đã nung nóng catốt.
Việc trao đổi nhiệt này đã cung cấp đủ năng lượng cho electron thắng được lực liên
kết với hạt nhân, nó bứt khỏi bề mặt catốt và bay vào vùng chân khơng của bóng. Giá
trị năng lượng trên gọi là cơng thốt electron EW, giá trị này không giống nhau với các
vật liệu làm catốt khác nhau. Dòng điện tạo ra do sự trao đổi nhiệt IB được tính theo
cơng thức:

I B  C o Ao T 2 e 11600 EW / T
Ở đây, Ac là diện tích catốt (m2)
Co là hệ số vật liệu catốt (A/m2K2) được cho trong bảng dưới:
Vật liệu Catốt

Co (A/m2K2)

EV (eV)

Tungsten

60x 104

4,52

Thoriated Tungsten

3x 104

2,63

Oxide coated

0,001x 104

1

Tia X là một dạng bức xạ ion hoá sinh ra do sự chuyển đổi năng lượng:
Chùm tia điện tử bức xạ từ catốt khiến cho chùm tia điện tử có động năng rất lớn, từ
vài chục đến hàng trăm keV và chuyển động với vận tốc rất cao hướng về anốt. Khi va
vào vật cản (anốt) chùm tia điện tử sẽ đột ngột giảm tốc độ. Tại thời điểm này, nguồn
động năng của chùm tia điện tử sẽ chuyển đổi thành:
- Nhiệt năng nung nóng anốt, chiếm tới 99% động năng.
- Năng lượng tia X, chiếm khoảng 1% động năng.

14
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

Bức xạ tia X không phải là bức xạ đơn sắc; phổ của nó nằm trong dải bước
sóng khoảng từ 10pm đến 6nm (10.10-12 - 6.10-9m).

10-15m

10-18m

Bức xạ

10-12m

Tia X

10-9m

Tia tử ngoại

Tia

Ánh sáng

10-6m

hồng
ngoại

10-3m

vơ
Sóng

tuyến

1m

Hình 1.2. Phân bố dải sóng của tia Rơnghen
Bức xạ tia X không phải đơn sắc do nó chứa 2 thành phần sau:
-Bức xạ đặc trưng
-Bức xạ hãm.
Bức xạ đặc trưng: Mỗi tia X được tạo ra khi có một electron trong chùm electron bay
tới Anốt và tương tác với nguyên tử của nó. Sự tương tác này làm cho electron ở quỹ
đạo năng lượng thấp K của nguyên tử chuyển lên quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn
L, M…, sau đó nó quay lại quỹ đạo cũ và phát ra một photon, photon này có năng
lượng xác định theo công thức:
hv = h c = E 2 - E 1


(1-1)

E 2 : mức năng lượng cao.
E 1 : mức năng lượng thấp.
Bức xạ đặc trưng được ứng dụng để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của vật chất và
không được dùng trong các ứng dụng X - quang y học.
Bức xạ hãm: Bức xạ này hình thành do sự thay đổi đột ngột tốc độ của chùm
electron khi gặp bề mặt anốt, làm giảm tức thời động năng electron và một phần của
lượng giảm này chuyển thành năng lượng tia X - quang. Bức xạ hãm chiếm hầu hết
năng lượng tia X - quang, vì vậy nó rất quan trọng trong các ứng dụng y học dựa trên
cơ sở sự hấp thụ năng lượng.
15
Lê Văn Thịnh

Luận văn tốt nghiệp
Phổ phát xạ của tia x phụ thuộc vào động năng chùm electron bức xạ từ catốt,
tức là phụ thuộc vào điện áp giữa anốt và catốt.

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của phổ phát xạ tia X vào điện áp
Biểu đồ phân bố phổ tia x theo trị số động năng biểu diễn trên hình 1.3. từ biểu
đồ này cho thấy điện áp càng cao nghĩa là động năng càng lớn thì bước sóng tia x phát
ra càng ngắn.
1.3 Tính chất vật lý của tia X, sự lan truyền tia X trong vật chất
Tia X có những tính chất vật lý cơ bản sau:
- Tia X nằm ngồi dải sóng ánh sáng nhìn thấy nên khơng quan sát được bằng mắt
thường.
- Nhờ có năng lượng rất cao và bước sóng rất ngắn, tia X có thể đâm xuyên qua hầu
hết mọi vật chất.
- Khi xuyên qua vật chất, tia X bị hấp thụ. Độ suy giảm, nói cách khác là độ hấp thụ
tia X phụ thuộc vào loại vật chất; ví dụ chì (Pb) có độ hấp thụ rất cao so với nhôm
(Al); trong cơ thể, xương có độ hấp thụ cao hơn cơ và các mơ mềm khác...
- Tia X có tác dụng làm đen giấy ảnh. Nhờ tính chất hấp thụ và làm đen giấy ảnh, tia
X được dùng để tạo ảnh đối tượng thăm khám trên màn hình (màn huỳnh quang hoặc
phim X quang).
16
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
- Ngồi ra, tia X có hại: nó phá hủy tế bào và có thể gây ra một số bệnh nếu liều
lượng chiếu xạ tia vượt quá mức độ cho phép.
Sự lan truyền tia X trong vật chất.
X-quang trong y học được ứng dụng bằng việc tác động chùm tia Rơnghen tới

cơ thể bệnh nhân và đo lượng tia xuyên qua. Lượng tia X-quang bị hấp thụ bởi cơ thể
được xác định từ độ chênh lệch giữa năng lượng bức xạ chiếu tới và năng lượng
xuyên qua. Sự hấp thụ tia Rơnghen là cơ sở kỹ thuật để khảo sát đánh giá các bộ phận
khác nhau của cơ thể dưới tác dụng của tia X. Ví dụ, các phần tử xương hấp thụ nhiều
tia X hơn các phần tử cơ và vì vậy có thể phân biệt chúng dễ dàng nhờ tác động của
tia X.
Từ phân tích sự hấp thụ tia X của vật chất đã được chỉ ra trên đây, có thể nhận
thấy rằng : Trong quá trình tương tác với vật chất, cường độ chùm tia X trên đường
truyền sẽ giảm đi. Trong những điều kiện nhất định có thể coi sự suy giảm này tỷ lệ
thuận với quãng đường đi. Trong trường hợp tổng quát ta có:

 (s)J(s)ds
(1-2)
 (s) ở đây được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính tổng qt, trong đó dấu

dJ(s) = Hệ số

trừ lấy từ điều kiện  dương. Hệ số này là hàm số của 3 toạ độ không gian (x, y, z)=
(s1, s2, s3). Đại lượng dJ(s) đặc trưng cho sự thay đổi cường độ tia X qua độ dày ds. Hệ
số (s) là đại lượng đặc trưng cơ bản cho cấu trúc vật chất, được xác định nhờ các
phương pháp chụp cắt lớp máy tính và được dùng làm cơ sở trong việc tái tạo hình
ảnh chụp cắt lớp, có thể biểu diễn theo cơng thức của mật độ vật chất sau:
(s) = . (s)

(1-3)

Trong đó  là hằng số tỷ lệ, gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính (cm2/g); (s) là mật
độ vật chất trung bình theo bề dày s (g/cm3).
Tiến hành lấy tích phân biểu thức (1-2) (với cận dưới s =0 và coi (0)=0) ta
được :

  (s )
J(s) =J 0 e

(1-4)

17
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
Biểu thức (1-4) gọi là định luật hấp thụ tổng quát Lambert - Ber. Trong đó, Jo
là cường độ tia tới, J(s) là cường độ tia sau khi qua độ dày s.
Từ đây có thể rút ra một số nhận xét:
Khi s càng lớn (lớp vật chất càng dày) thì cường độ chùm tia ló càng nhỏ, tức
là tia Rơnghen bị hấp thụ càng nhiều.

Hệ số suy giảm
 (cm2/g)
0.16
0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08

Xương

0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0

Cơ
Năng lượng tia
X (keV)
40 60 80 100 120 140 160 180

Hình 1.4. Quan hệ giữa hệ số suy giảm tuyến tính và năng lượng tia X.
Khi  càng lớn thì năng lượng chùm tia Rơnghen cũng bị hấp thụ càng nhiều.
Trên hình 1-4 mơ tả mối quan hệ của giá trị hệ số hấp thụ tuyến tính của xương và cơ
theo năng lượng tia X. Theo đó khi giá trị  càng lớn thì phần năng lượng của tia X
truyền qua còn lại càng nhỏ. Đồ thị này cũng cho ta biết sự hấp thụ khác nhau giữa
các vật chất khác nhau (giữa cơ và xương). Đây là cơ sở để phân biệt các tổ chức khác
nhau khi ứng dụng tia X trong y học.

18
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

Chƣơng 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN
TOÁN CT SCANNER
2.1 Giới thiệu
CT là từ viết tắt của Computed Tomography (Trong tiếng Hy Lạp Tomo nghĩa là lát
và Graphy là mô tả).
Thuật ngữ “Cắt lớp máy tính” (computerized tomography – CT ) bao gồm tổ hợp các
nguyên lý vật lý, các phương pháp toán học và các phương tiện kỹ thuật dùng để xác
định các tham số của cấu trúc bên trong các đối tượng khác nhau mà khơng phá vỡ
tính ngun vẹn của chúng khi tiến hành đo lường.
Dựa vào đặc tính tia X, người ta đã phát triển kỹ thuật phân tích cấu trúc vật chất trên
nguyên lý ứng dụng loại tia này. Cơ sở của phương pháp phân tích cấu trúc vĩ mô vật
chất là quy luật hấp thụ và sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tính vào đặc tính cấu
trúc của vật cần nghiên cứu. Những phần dầy mỏng khác nhau, có khối lượng riêng
khác nhau sẽ hấp thụ tia X không đồng đều nhau.
Cơ chế của quá trình này diễn ra như sau:
Chùm tia phát ra với cường độ đồng đều, được chiếu lên một tiết diện đủ bao quát đối
tượng nghiên cứu. Sau khi đi qua đối tượng, tia này sẽ bị hấp thụ khác nhau đối với
mỗi phần tử của thiết diện. Chùm tia ló ra lúc này chứa đựng ảnh ẩn của đối tượng, sẽ
được khơi phục lại trên phim hiện hình trực tiếp hay hiển thị trên màn hình nhờ các
thiết bị xử lý đầu cuối.
2.2 Kỹ thuật chụp CT và X quang cổ điển.
CT Scanner là một phương pháp chụp quang tuyến X đặc biệt, khác về bản chất với
phương pháp chụp X quang cắt lớp cổ điển (là phương pháp làm mờ vùng ngoài cần
quan tâm)
Trong phương pháp chụp X quang cổ điển, hình ảnh của đối tượng được ghi trên
phim dưới dạng ảnh bóng mờ hai chiều. Hình ảnh được tạo ra theo kiểu chụp này là
19
Lê Văn Thịnh

Luận văn tốt nghiệp
hình ảnh xếp chồng của nhiều đối tượng khác nhau trên đường truyền của tia X. Do
vậy việc chẩn đoán dựa vào phim phần nào bị hạn chế.
Nhằm khắc phục nhược điểm đó, CT tạo ra ảnh thay thế cho ảnh xếp chồng 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 khơng liên quan đến các phần
tử đối tượng nằm cận kề trên đường chiếu của chum tia X. Đây chính là điểm cốt lõi
chứng minh tính hiệu quả cao của phương pháp này: CT có thể tạo ra những ảnh của
các mơ mềm với độ tương phản cực cao mà phương pháp cổ điển không thể thực hiện
được.
Đặc biệt hơn kỹ thuật CT cịn giúp tạo ra ảnh hình dạng thực của các cơ quan bị tổn
thương, phương pháp cổ điển chỉ tạo ảnh thông qua các thông tin gián tiếp qua sự dịch
chuyển của mạch máu, trong đó CT có rất nhiều trường hợp đã cung cấp nhiều chỉ dẫn
chính xác hơn khi chụp mạch.
2.3 Lịch sử phát triển kỹ thuật chụp CT.
Năm 1967, G.Hounsfield - nhà khoa học Anh quốc và Cormack - nhà vật lý người
Mỹ bắt đầu tiến hành thực nghiệm cơ sở quét lớp sọ não và khởi đầu sản xuất thử máy
quét lớp sọ não EMI.
Năm 1971, chiếc máy quét lớp sọ não EMI đầu tiên được lắp đặt tại bệnh viện
Atkinson Morley và khởi đầu thực nghiệm lâm sàng. Đến tháng 4/1972 Hounsfield
cùng J.Ambrose báo cáo về máy chụp cắt lớp EMI tại đại hội của hội quang tuyến
Anh quốc.

20
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.1 Hounsfield và chiếc máy CT thế hệ đầu tiên

Năm 1973 tiếp tục lắp đặt máy cắt lớp sọ não tại bệnh viện Mayo.R.S. Ledley thuộc
học viện Georgetown chính thức cơng bố về hệ thống kỹ thuật chụp cắt lớp. Tuy
nhiên, những máy thuộc giai đoạn này có tốc độ rất thấp, để có được hình ảnh một lớp
cắt phải mất khoảng 4-5 phút, đồng thời chất lượng ảnh khơng cao, vì vậy chưa có
nhiều tác dụng trong thực tế chẩn đoán.
Cho đến năm 1974 trên cơ sở phát triển máy chụp cắt lớp EMI CT5000, viện hạt
nhân Ohio đã cho ra đời máy Delta và thực hiện lâm sàng tại bệnh viện Cleveland. Kể
từ đó trở đi, thời gian quét một lớp giảm xuống chỉ cịn 20 giây và ít hơn, mang lại
hiệu quả rõ rệt trong lâm sàng.
Năm 1975 tiếp tục lắp đặt máy Acta đầu tiên tại học viện Minnesota và máy Delta
đầu tiên tại trung tâm y học nước Anh. Cũng trong năm, khoảng 20 công ty đã tham
gia sản xuất máy cắt lớp điện toán, đồng thời thu hút sự tham gia của nhiều công ty
hàng đầu như: EMI, Viện hạt nhân Ohio, Pfizer, GE, Picker, Siemens, Artronic,
Syntex... đã giới thiệu sản phẩm của mình trong triển lãm về máy chụp cắt lớp tại đại
hội quang tuyến Bắc Mỹ. Với những đóng góp to lớn cho khoa học, hai nhà khoa học
G.Hounsfield và A.Cormack đã được trao giải Nobel về Y - Sinh học vào năm 1979.
Như vậy chỉ trong vòng 30 năm, từ những bước thử nghiệm đầu tiên, máy chụp cắt
lớp ngày càng được phát triển và hoàn thiện, trở thành cơng cụ chẩn đốn hình ảnh ưu
việt và được đánh giá là một trong 10 phát minh lớn nhất của thế kỷ 20.
21
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
Hiện nay đã có hàng vạn máy chụp cắt lớp điện toán (CT Scanner) được lắp đặt và
sử dụng trên thế giới. Đối với nước ta, chiếc máy chụp cắt lớp đầu tiên được lắp đặt
tại bệnh viện hữu nghị Việt - Xô cũ ở Hà Nội. Hiện nay, cả nước có hàng trăm máy
CT - Scaner, giá thành chi trả cho một ca chụp còn cao. Tuy nhiên vì hiệu quả to lớn
mà nó mang lại, việc ứng dụng các thiết bị chẩn đốn hình ảnh hiện đại này đang là
hướng phát triển chiến lược của ngành Y tế trong những năm tiếp theo.

Hình 2.2 Máy CT đa lát cắt Discovery
2.4 Các thế hệ máy CT
Từ thiết bị chụp cắt lớp đầu tiên cho tới nay cơng nghệ chụp cắt lớp vi tính ln ln
đổi mới nhằm vào hai mục tiêu chính là:
-

Rút ngắn thời gian qt của bóng X quang cho 1 vịng quay 3600 quanh cơ thể
người bệnh.

-

Rút ngắn thời gian tạo ảnh và cải thiện chất lượng ảnh thông qua việc nâng cao
độ phân giải không gian của ảnh.
22

Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
2.4.1

Máy CT thế hệ thứ nhất

Hình 2.3: Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ nhất
Bộ thu chỉ gồm một đầu dò, chùm phát ra tia hẹp và song song dạng bút chì.
+ Phương thức quét: Bóng X quang và đầu dị dịch chuyển song song theo hướng
vng góc với chùm tia bao chùm tồn bộ mặt phẳng lớp cắt sau đó quay 1 góc rồi
tiếp tục dịch chuyển song song theo hướng mới. Trong khi dịch chuyển song song, tại
những khoảng cách đều đặn chùm tia X được phát và thu. Quá trình cứ tiếp diễn cho

tới khi số lượng tín hiệu thu được đủ lớn cho việc tái tạo ảnh.
+ Tuy nhiên thế hệ máy này hiện nay khơng được dung vì hiệu suất sử dụng nguồn tia
X thấp và phải tạo 1 liều tia X đủ lớn 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 phải mất vài phút vì vậy chỉ được ứng
dụng trong chụp cơ quan tĩnh như xương, sọ não.
+ Thời gian chụp có thể giảm nhờ một cảm biến thứ hai đặt liền kề với cảm biến ban
đầu theo hướng của bề dày lớp cắt chùm tia X sẽ tương hợp với cả hai cảm biến và xử
lý dữ liệu cho cả hai lớp cắt. Tuy nhiên trong thực tế việc giảm thời gian tạo ảnh chỉ
có thể đạt được nhờ tăng số lượng kênh đo cho 1 lớp cắt.

23
Lê Văn Thịnh


Luận văn tốt nghiệp
2.4.2 Máy CT thế hệ thứ hai

Hình 2.4 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ hai
+ Cấu trúc: Thay vì dùng 1 đầu dị, nay dùng chùm đầu dò khoảng 20-30 đầu dò đặt
liền nhau trong hướng qt, chùm tia phát có dạng hình quạt.
+ Phương pháp quét: Dùng hai lọai dịch chuyển là song song và quay.
+ Với cách bố trí đầu dị này thì lượng dữ liệu sẽ được đo nhiều hơn nhờ vào số lượng
đầu dị tăng. Chính vì vậy thời gian quét đã được giảm xuống khoảng 50-60 giây.
2.4.3 Máy CT thế hệ thứ ba:

Hình 2.5 : Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ ba

24
Lê Văn Thịnh

Luận văn tốt nghiệp
+ Cấu trúc: Số lượng đầu dò tăng lên vài trăm cái và được bố trí trên một vịng cung
đối diện và gắn cố định với bóng X quang. Chùm tia X phát ra theo hình quạt với góc
từ 300 – 600 tùy theo số lượng đầu dị và bao trùm tồn bộ lớp cắt.
+ Phương pháp qt: Hệ thống dị quay quanh đối tượng một góc 3600 để thực hiện
một lớp cắt. Khi quay tia X có thể được phát thành xung tại những góc cố định hoặc
được phát liên tục. Với cấu trúc này thì hệ thống đo chỉ thực hiện một kiểu chuyển
động quay và quay liên tục chứ không phải từng bước do đó thời gian chụp giảm
xuống cỡ một vài giây.
2.4.4 Máy CT thế hệ thứ tư:

Hình 2.6: Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ tư
+ Máy thế hệ thứ tư khác biệt so với các thế hệ trước đó là hệ thống đầu dị được bố trí
trên một vịng trịn bao quanh khoang bệnh nhân.
+ Bóng X quang sẽ quay quanh khu vực cần thăm khám, các phần tử cảm biến sẽ
được đóng ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng.
+ Ưu điểm của loại máy này là thời gian chụp ngắn cỡ một vài giây khơng bị nhiễu
hình ảnh trịn. Tuy nhiên cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dị lớn hơn rất nhiều.

25
Lê Văn Thịnh