Nghiên cứu kỹ thuật tạo hình 3d từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

PHẠM VĂN HƯNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP
TRONG Y TẾ
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN TẢO

THÁI NGUYÊN - 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
lrc.tnu.edu.vn

htp://www.


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân (ngoài
những phần tham khảo đã được chỉ rõ) dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Tảo.
Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Phạm Văn Hưng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


ii
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ
tận tình của các thầy cô, gia đình, bạn bè. Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn
chân thành tới thầy giáo hướng dẫn, TS Nguyễn Văn Tảo. Trong suốt hai năm qua, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ, động viên và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình giúp tôi nắm rõ mục
tiêu và định hướng nghiên cứu trong luận văn.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô giáo của Trường Đại học Công
nghệ thông tin và Truyền thông đã trang bị cho tôi thêm kiến thức trong suốt thời gian
học tập tại trường.
Cuối cùng, với những tình cảm sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi tới gia đình
và bạn bè, những người đã luôn ở bên, động viên, chia sẻ với tôi về mọi mặt giúp tôi
hoàn thành khóa học.
Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu
của em để đề tài được hoàn thiện hơn
Em xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2016

Tác giả luận văn

Phạm Văn Hưng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


iii
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................i LỜI CẢM
ƠN

........................................................................................................ii

MỤC

LỤC.............................................................................................................iii DANH MỤC
CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
.............................................................................. vi Chương 1. ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO
HÌNH ẢNH 3D ......................................... 3
1.1 Ảnh y tế......................................................................................................... 3
1.2 Ảnh cắt lớp.................................................................................................... 4
1.2.1 Lịch sử ra đời ......................................................................................... 4

1.2.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography) .............................. 9
1.2.3 Chuẩn ảnh cắt lớp................................................................................. 14
1.3 Mô hình 3 chiều và chẩn đoán, khám chữa bệnh.......................................... 21
1.3.1 Một số khái niệm về đồ họa 3 chiều ..................................................... 21
1.3.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3 chiều ............................................. 23
1.4 Bài toán tái tạo mô hình 3 chiều từ ảnh cắt lớp ............................................ 26
Chương 2. KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP ....... 28
2.1 Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp ..................... 28
2.1.1 Cấu trúc mô hình 3D ............................................................................ 28
2.1.2 Phương pháp tổng quát tái cấu mô hình 3D từ tập ảnh cắt lớp .............. 32
2.2 Các kỹ thuật áp dụng tái cấu trúc mô hình 3D............................................. 35
2.2.1 Các kỹ thuật áp dụng trong tiền xử lý ảnh cắt lớp ................................ 36
2.2.2 Phân lớp và xác định biên đối tượng cần tái cấu trúc 3D....................... 40
2.2.3 Xác định tập đỉnh và tập mặt khi tái cấu trúc mô hình 3D.................... 47
2.3 Một số kỹ thuật nâng cao chất lượng mô hình 3 chiều khi tái cấu trúc ........ 49
2.3.1 Kỹ thuật nội suy nâng cao mô hình tái cấu trúc ................................... 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


iv
2.3.2 Một số phương pháp nội suy ............................................................... 50
Chương 3. THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG .................................................. 53
3.1 Yêu cầu thực nghiệm, ứng dụng .................................................................. 53
3.2 Công cụ và các bước thực hiện chương trình ............................................... 55
3.3 Một số kết quả thực nghiệm ........................................................................ 59
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT

1

Ký hiệu/

Viết đầy đủ

Chữ viết tắt

DICOM

2

CT

3

Digital Imaging and
Communications in Medicine

Ý nghĩa
Tiêu chuẩn để bắt tay, lưu
trữ, in ấn và thu/nhận hình
ảnh trong y tế

Computed Tomography Scanner

Chụp cắt lớp vi tính

MRI

Magnetic Resonance Imaging

Chụp cộng hưởng từ

4

PET

Positron Emission Tomography

Cắt lớp phát xạ posirtron

5

SPECT

Single Photon Emission

Chụp cắt lớp điện

Computed Tomography

toán phát xạ Photon

6

TD

Theo dõi

7

CR

Computed radiography

X quang điện toán

8

DR

Direct radiography

X quang trực tiếp

9

US

Ultrasound

Siêu âm

10

PACS

Picture Archiving and

Hệ thống lưu trữ và truyền

Comunication System

thông hình ảnh y tế
Chẩn đoán hình ảnh kết

11

DSA

Digital Subtraction Angiography

hợp giữa việc chụp Xquang và xử lý số

12

3D

13

DEM

14

NNI

3-Dimension

3 chiều

Digital Elevation Model

Mô hình số độ cao

Natural Neighbor Interpolation

Nội suy láng giềng tự nhiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm .......................................................... 4
Hình 1.2. Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT) ........................... 4
Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979 .......... 5
Hình 1.4 Bản phác thảo về máy chụp cắt lớp vi tính của Sir Godfrey Hounsfield .... 6
Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên .............................................................. 6
Hình 1.6 Máy CT toàn hân đầu tiên được phát triển................................................. 7
Hình 1.7 Máy CT thế hệ thứ I .................................................................................. 8
Hình 1.8 Máy CT thế hệ thứ II................................................................................. 8
Hình 1.9 Máy CT thế hệ thứ III ............................................................................... 9
Hình 1.10 Máy CT thế hệ thứ IV ............................................................................. 9
Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số......................... 10
Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel) ................................................................................... 10
Hình 1.13 Chụp CT xoắn ốc .................................................................................. 12
Hình 1.14 Nguyên lý chụp CLVT đa dãy đầu thu .................................................. 13
Hình 1.15 Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM [19] ............................................ 14
Hình 1.16 Cấu tạo Data Set ................................................................................... 16
Hình 1.17 Cấu trúc file DICOM ............................................................................ 18
Hình 1.18 Các ứng dụng đồ họa 3 chiều ................................................................ 22
Hình 2.1 Mô hình 3D tim người ............................................................................ 28
Hình 2.2 Một mặt của hình hộp được tạo bởi 2 mặt tam giác ................................. 31
Hình 2.3 Mô hình 3D thu được từ tập đỉnh: VertexList , tập mặt: FaceList, tập
UV: UVs ....................................................................................... 32
Hình 2.4 Ảnh chụp cắt lớp theo không gian hai chiều ............................................ 33
Hình 2.5 Ảnh mô phỏng các lát cắt xếp liên tiếp nhau[21] ..................................... 34
Hình 2.6 Quy trình hiển thị đối tượng 3D .............................................................. 35
Hình 2.7 Ảnh chụp chiếu trước và sau tiền xử lý ................................................... 40
Hình 2.8 Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn .................................................. 44
Hình 2.9 Ảnh chụp chiếu trước và sau phân đoạn làm rõ xương ............................ 44

Hình 2.10 Ảnh chụp chiếu sau phân đoạn làm rõ xương và loại bỏ nhiễu .............. 45
Hình 2.11 Ảnh chụp chiếu áp dụng tìm biên .......................................................... 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


vii
Hình 2.12 Tập các đỉnh biên được xếp chồng lên nhau tạo thành tập đỉnh của mô hình
3D................................................................................................. 47
Hình 2.13 Biểu diễn tập đỉnh trên mặt phẳng ......................................................... 48
Hình 3.1 Giao diện chung chương trình tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp........ 55
Hình 3.2 Mở thu mục chứa định dạng ảnh ............................................................. 56
Hình 3.3 Lựa chọn thư mục lưu tập ảnh trên máy tính ........................................... 56
Hình 3.4 Lựa chọn tập ảnh DICOM ....................................................................... 57
Hình 3.5 Quan sát ảnh DICOM ............................................................................. 58
Hình 3.6 Hình ảnh mô hình 3D thu được từ chương trình dùng trong chẩn đoán. .. 59
Hình 3.7 Bệnh án điều trị nội trú ........................................................................... 61
Hình 3.8 Hồ sơ bệnh án điều trị nội trú .................................................................. 63
Hình 3.9 Gãy xương gò má và xoang hàm trái trên phim chụp cắt lớp vi tính ........ 63
Hình 3.10 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D................. 64
Hình 3.11 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính.......................................................... 65
Hình 3.12 Bệnh án điều trị nội trú.......................................................................... 66
Hình 3.13 Hồ sơ bênh án điều trị nội trú ................................................................ 68
Hình 3.14 Hình ảnh vỡ xương chẩm trái ................................................................ 68
Hình 3.15 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D................. 69
Hình 3.16 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính.......................................................... 69
Hình 3.17 Bệnh án điều trị nội trú.......................................................................... 70

Hình 3.18 Hồ sơ điều trị nội trú ............................................................................. 71
Hình 3.19 Hình ảnh vỡ xương trên phim chụp cắt lớp vi tính................................. 72
Hình 3.20 Khi chạy chương trình thực nghiệm tái cấu trúc mô hình 3D................. 72
Hình 3.21 Phiếu kết quả chụp cắt lớp vi tính.......................................................... 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


1
MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc ứng dụng Công nghệ thông tin trong y học đã mang lại những hiệu
quả khả quan. Trong đó, sự ra đời của các thiết bị chẩn đoán hình ảnh như máy chụp cắt
lớp vi tính (CT-Scanner), máy chụp cộng hưởng từ (MRI)... đã giúp cho các bác sỹ nâng
cao chất lượng khi chẩn đoán và tiên lượng bệnh. Ở nước ta, những thiết bị đó ngày nay
đã trở thành những thiết bị được sử dụng rất rộng rãi và thường quy trong các cơ sở Y tế
từ các bệnh viện tuyến Trung ương tới tuyến huyện, xã.
Các máy chụp CT-Scanner, MRI dựa trên các nguyên lý ghi hình khác nhau nhưng
đều mang lại dữ liệu là thông tin hình ảnh 3 chiều của đối tượng khảo sát. Những dữ liệu
trên sẽ được chuyển cho máy vi tính xử lý để xây dựng lại mô hình giống như nguyên
mẫu.
Việc tạo dựng hình ảnh 3 chiều sẽ mang lại những hình ảnh trực quan, những góc
nhìn của một hay nhiều bộ phận liên quan; giúp cho bác sỹ có cái nhìn chi tiết của các tổn
thương, các cấu trúc giải phẫu, từ đó đem lại hiệu quả cho công tác chẩn đoán và điều trị
bệnh.
Trên thế giới việc tái tạo ảnh 3D được phát triển trong khoảng vài chục năm gần

đây, có khá nhiều phần mềm thương mại tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt như:
3D-Doctor, eFilm, Vitrea2, DICOMWork… và cài đặt trên hệ thống máy tính của các hãng
sản xuất thiết bị với giá thành cao.
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu phần mềm nhằm xử lý hình ảnh y tế còn là lĩnh vực
mới và chỉ có một vài nghiên cứu nhỏ được công bố. Kinh phí dành cho y tế còn hạn hẹp
nên hiện nay các bệnh viện nhỏ, bệnh viện địa phương không đủ khả năng trang bị những
thiết bị chẩn đoán hình ảnh vì giá thành thiết bị và phần mềm chuyên dụng rất đắt.
Hình ảnh ba chiều ngày càng chiếm vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị,
nghiên cứu về hình ảnh y tế là lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật y sinh. Việc
nghiên cứu thuật giải tạo dựng hình ảnh ba chiều cụ thể là từ ảnh chụp cắt lớp trong y
khoa nhằm xây dựng lý thuyết và ứng dụng phục vụ trong công tác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


2
chuẩn đoán, điều trị bệnh tốt hơn. Vì vậy bài toán đặt ra là “Nghiên cứu kỹ thuật tạo
hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp trong y tế”. Là bài toán thực tiễn có nhiều ý nghĩa, cần được
đầu tư nghiên cứu, tìm hiểu. Nội dung luận văn bao gồm ba chương:
 Chương 1: ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D
Chương này tổng quan về ảnh y tế và ứng dụng trong khám chữa bệnh, giới thiệu
hệ thống máy chụp cắt lớp và mô hình 3D trong chẩn đoán, khám chữa bệnh tại Bệnh
viện
 Chương 2: KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH 3D TỪ ẢNH CHỤP CẮT LỚP
Tổng quan về kỹ thuật tái cấu trúc mô hình 3D từ ảnh cắt lớp
 Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


3
Chương 1
ẢNH Y TẾ VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D

1.1 Ảnh y tế
Ảnh y tế là kĩ thuật và quá trình được sử dụng để tái tạo ra hình ảnh cơ thể con
người hoặc bộ phận cơ thể người phục vụ cho mục đích lâm sàng và cận lâm sàng nhu
cầu chẩn đoán, kiểm tra bệnh hoặc khoa học y tế (bao gồm cả giải phẫu và sinh lý). Hình
ảnh y tế đề cập đến một số kỹ thuật có thể được sử dụng như là phương pháp không
xâm lấn nhìn vào bên trong cơ thể. Y học hiện đại chẩn đoán bệnh dựa vào các triệu
chứng lâm sàng (chẩn đoán lâm sàng) và các triệu chứng cận lâm sàng. Trong chẩn đoán
cận lâm sàng thì chẩn đoán dựa trên hình ảnh thu được từ những thiết bị chẩn đoán hình
ảnh y học[10] (máy y tế) ngày càng chiếm một vai trò quan trọng. Nhất là ngày nay với sự
trợ giúp các thiết bị, máy y tế hiện đại, công nghệ cao có các phần mềm tin học hỗ trợ giúp
cho tái hiện lại hình ảnh bên trong cơ thể bệnh nhân để phân biệt các bộ phận và phát
hiện các tổn thương. Nó có thể được sử dụng để hỗ trợ chẩn đoán hoặc điều trị các bệnh
nội khoa khác nhau. Ngày nay, công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong công
tác quản lý, điều hành và ứng dụng thành công trong công tác khám chữa bệnh tại các
bệnh viên như chụp cắt lớp, siêu âm, mổ nội soi v.v...Chẩn đoán hình ảnh y khoa góp phần
quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh.
Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú như chẩn đoán qua hình ảnh X
quang, hình ảnh siêu âm, nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hưởng

từ.
Một số ảnh y tế qua các phương pháp chẩn đoán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


4
Hình 1.1. Ảnh chụp X-Quang và ảnh siêu âm

Hình 1.2. Ảnh chụp cắt lớp vi tính (Computed tomography - CT)
Điều đáng quan tâm ở đây là những hình ảnh này không phải là các định dạng
ảnh thông thường như: jpg, bitmap, gif... mà nó được định dạng theo chuẩn.
Từ các hình ảnh có được qua các phương pháp không xâm lấn, các bác sĩ sẽ có thể
để chẩn đoán, điều trị và chữa bệnh mà không gây ra bất kỳ tác dụng phụ có hại. Việc sử
dụng các hình ảnh y tế đã cho phép các bác sĩ để xem được các bộ phận các tạng hay tổn
thương bên trong bệnh nhân mà không cần phải đến phẫu thuật mở. Hình ảnh y tế
cũng giúp chúng ta tìm hiểu thêm về sinh học thần kinh, hành vi của con người và mang
đến cho các nhà khoa học từ sinh học, hóa học, vật lý liên kết với nhau và các công nghệ
phát triển, thường có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
1.2 Ảnh cắt lớp
1.2.1 Lịch sử ra đời
Thiết bị chụp cắt lớp vi tính (CLVT) - Còn gọi là chụp cắt lớp điện toán ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


5
đời là kết quả của nhiều phát minh quan trọng về vật lý và toán học có liên quan từ nhiều
năm trước:
- Năm 1917, nhà toán học người Đức tên là Radon đã tìm ra cơ sở toán học của
việc tái tạo cấu trúc của một vật thể 3 chiều trong không gian dựa trên vô số những hình
chiếu của vật thể đó.
- Năm 1963, Cormack là một kỹ sư vật lý người Mỹ phát minh ra nguyên lý tái tạo
cấu trúc vật thể theo phương pháp chiếu xạ bằng Cobalt 60.
- Năm 1967, dựa trên nguyên tắc vật lý trên đây của Cormack, một kỹ sư người
Anh tên là Hounsfield đã tái tạo thành công cấu trúc của vật thể bằng phương pháp chiếu
qua vật thể bức xạ tia X (tia Roentgen).

Hình 1.3 Godfrey Hounsfield, Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1979

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


6

Hình 1.4 Bản phác thảo về máy chụp cắt lớp vi tính của Sir Godfrey Hounsfield

Hình 1.5 Máy chụp cắt lớp vi tính đầu tiên

Năm 1970, Nhận thấy các hạn chế của phương pháp chụp X quang thông thường và
kỹ thuật chụp tomography, kết hợp với hiểu biết về tia X đã được nghiên cứu trước đó,
Sir Godfrey Hounsfield và Cormack độc lập nghiên cứu và tìm ra kỹ thuật chụp của máy
CT. Ứng dụng đầu tiên của máy CT là chụp não. Nhờ phát minh này, họ đã cùng nhau
chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1979.
Năm 1974, DR. ROBERT LEDLEY phát triển máy CT toàn thân đầu tiên trên thế
giới
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


7

Hình 1.6 Máy CT toàn hân đầu tiên được phát triển
Quá trình phát triển: Năm 1967 Housfield (Anh) dựa trên nguyên lý tạo ảnh đã thiết
kế được một thiết bị dùng tia X-quang để đo những vật thể thí nghiệm bằng các chất nhân
tạo và lập được chương trình cho máy tính ghi nhớ và tổng hợp kết quả.
Ngày 1.10.1971 Housfield và Ambrose (Anh) đã cho ra đời chiếc máy chụp cắt lớp
vi tính sọ não đầu tiên. Thời gian chụp và tính toán cho một quang ảnh lúc này cần 2
ngày.
Năm 1974 Ledley (Mỹ) hoàn thành chiếc máy chụp cắt lớp vi tính (CT
scanner) toàn thân đầu tiên, thời gian chụp một quang ảnh mất vài phút.
Và đến năm 1977 trên thị trường thế giới xuất hiện loại máy chụp CTscan với thời
gian chụp một quang ảnh chỉ 20 giây. Cho đến nay đã có 4 thế hệ máy chụp CTscan ra đời.
- CT thế hệ 1: chùm tia song song; nguồn, detector tịnh tiến và quay: máy có một
đầu dò, sử dụng nguyên tắc quay và tịnh tiến. Chùm tia X-quang cực nhỏ chiếu qua cơ thể
tới đầu dò để thu nhận kết quả. Bóng phát tia X phải quay quanh cơ thể

1800 để hoàn thành một lớp cắt. Khi quay 10 thì phát tia và quét ngang cơ thể để đo, một
quang ảnh mất vài phút.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


8

Hình 1.7 Máy CT thế hệ thứ I
- CT thế hệ 2: chùm tia xẻ quạt; mảng detector tuyến tính; nguồn, detector tịnh tiến:
máy có nhiều đầu dò, sử dụng theo nguyên tắc quay và tịnh tiến. Chùm tia X- quang có
góc mở 100, đối diện có một nhóm 5-50 đầu dò. Do chùm tia X rộng hơn,
nên giảm được số lần quét ngang. Thời gian chụp một quang ảnh từ 15-20 giây

Hình 1.8 Máy CT thế hệ thứ II
- CT thế hệ 3: chùm tia xẻ quạt; cung detector; nguồn, detector chỉ quay: máy có
nhiều đầu dò (200-600 đầu dò), sử dụng nguyên tắc quay đơn thuần. Chùm tia X có góc
mở rộng hơn, chùm hết phần đầu dò quay cùng chiều với bóng phát tia và ghi kết quả.
Thời gian chụp một quang ảnh từ 1-4 giây, độ mỏng lớp cắt đạt 2mm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

9

Hình 1.9 Máy CT thế hệ thứ III
- CT thế hệ 4: chùm tia xẻ quạt; vòng detector; nguồn quay: máy có hệ thống đầu
dò tĩnh, cố định vào 3600 của đường tròn, số lượng đầu dò lên tới 1000. Bóng phát tia Xquang quay quanh trục cơ thể và phát tia. Thời gian chụp một quang ảnh đạt tới 1 giây,
thuận lợi cho khảo sát các tạng chuyển động. Loại máy cực nhanh với thời gian cần cho
một quang ảnh chỉ 0,1 giây, hoặc chụp cine CTscan được dùng
trong chẩn đoán tim mạch.

Hình 1.10 Máy CT thế hệ thứ IV
1.2.2 Nguyên lý chụp CTscanner (computed tomography)
 Nguyên lý chung
Nguyên lý chụp CLVT dựa trên phép đo tỷ trọng[21]. Trong cơ thể con người mỗi cơ
quan khác nhau sẽ có khả năng hấp thụ tia X khác nhau. Căn cứ vào việc tính toán chỉ
số hấp thụ này (dựa trên đo và tính toán hệ số suy giảm cường độ tia X
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


10
sau khi đi qua phần cơ thể) bằng các đầu dò (Detector) mà máy tính tạo ra được hình
ảnh của cơ quan cần thăm khám.
Nguyên lý tạo ảnh của chụp CLVT[18] là dựa trên công nghệ kỹ thuật số. Các lát cắt
ngang qua vùng cơ thể cần được khảo sát được phân tích thành nhiều khối nhỏ. Các khối
riêng lẻ này được gọi là các phần tử thể tích hay khối thể tích mô. Thành phần, độ dày
của của khối thể tích mô cùng với tính chất chùm tia X sẽ xác

định mức độ hấp thu tia X của các khối này.


Hình 1.11 Nguyên lý chụp CLVT và độ phân giải ảnh kỹ thuật số
Các dữ liệu số về sự hấp thu tia X của các khối thể tích mô được máy tính chuyển
thành các độ xám khác nhau của các phần tử hình hay điểm ảnh trên hình. Trong một đơn
vị thể tích nếu có số các đơn vị ảnh càng nhiều (Pixel) thì độ phân giải của nó càng cao.
Pixel aspect ratio
PAR=x/y=4:3
x: pixel width
y: pixel height

Hình 1.12 Điểm ảnh (pixel)
Mỗi điểm ảnh là một đơn vị thể tích có chiều rộng (x) và chiều cao (y)
Các đơn vị thể tích được mã hoá các thông số về đặc điểm tỉ trọng, vị trí (toạ độ) và
được máy tính ghi lại. Sau đó máy tính dựng lại hình ảnh của mặt cắt dựa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


11
trên các thông số đã ghi của các đơn vị thể tích để tạo ra hình ảnh của cấu trúc trên lớp
cắt. Phương pháp này cho phép phân biệt các cấu trúc cơ thể trên cùng một mặt phẳng có
độ chênh lệch tỉ trọng 0,5%. Nếu số điểm ảnh càng nhiều (các đơn vị thể tích càng nhỏ) thì
hình ảnh càng mịn (ảnh càng nét). Số lượng điểm ảnh được gọi là độ phân giải của ảnh.
Như vậy độ phân giải càng cao thì ảnh càng nét, cho phép phân biệt ranh giới giữa các

cấu trúc càng rõ và cho phép phát hiện được các tổn thương có cấu trúc nhỏ.
Thành phần chính của máy CT là một bóng phát tia X và bộ phận thu nhận tín hiệu
(detectors), được đặt trong một khoang máy hình tròn (gantry) ở vị trí đối diện nhau và
có thể quay quanh cơ thể bệnh nhân. Bóng phát tia X được coi là “trái tim” của máy. Một
chùm tia X rất hẹp phát ra từ bóng, xuyên qua một phần cơ thể và được bộ phận thu
nhận tín hiệu tiếp nhận. Bộ phận tiếp nhận này bao gồm một hay nhiều dãy đầu thu, được
cấu tạo bằng các tinh thể nhấp nháy hay các buồng ion hóa, cho phép lượng hóa sự suy
giảm của tia X sau khi đi qua cơ thể. Độ nhạy của các đầu thu cao hơn rất nhiều so với
phim X-quang. Hệ thống máy tính sẽ biến đổi các thông tin lượng hóa này thành hình ảnh.
Cơ quan hay tổ chức nào của cơ thể có mức độ cản tia nhiều (xương, răng, sỏi, vôi hóa,
máu xuất huyết...) sẽ có màu trắng và ngược lại nếu cản tia ít sẽ có màu tối (mỡ, dịch,
phổi, khí...).
CT xoắn ốc
Thuật ngữ “CT xoắn ốc” (helical hay spiral CT) được dùng để chỉ các máy CT có
thể chụp theo chế độ xoắn. Cho đến thời điểm hiện nay, tất cả các máy CT đều có thể
đồng thời chụp theo hai chế độ: Cắt trục (axial) và cắt xoắn ốc. Cắt trục là khi bóng quay,
bàn di chuyển từng nấc và bóng sẽ phát tia khi bàn dừng chuyển động. Chế độ cắt trục
thường phục vụ cho các kỹ thuật xạ trị, GammaKnife và CyberKnife với mục đích là hình
ảnh sau chụp có độ chính xác cao, không chịu ảnh hưởng của chuyển động bệnh nhân.
Nhược điểm của chế độ này là chụp chậm, theo từng nấc chuyển động của bàn, bắt đầu
từ đỉnh cho tới đáy của cơ quan thăm khám, bờ ngoài của hình ảnh dựng 2D hay 3D có
dạng bậc thang . Cắt xoắn ốc là khi bóng quay và phát tia, bàn di chuyển liên tục, quỹ đạo
của bóng so với cơ thể bệnh nhân là một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

12
đường xoắn ốc. Ưu điểm của cắt xoắn ốc là tốc độ chụp nhanh hơn, khắc phục được
nhiễu ảnh do cử động (hô hấp, nhu động ruôt, ...), đường ranh giới của hình ảnh dựng
liên tục, không bị mấp mô.

Hình 1.13 Chụp CT xoắn ốc
- Nguyên lý chụp cắt lớp vi tính đa dãy[4]: Về cơ bản bóng phát tia X, đầu thu
nhận và công nghệ tạo ảnh kỹ thuật số tương tự như máy đơn dãy. Cấu tạo khác biệt của
máy đa dãy là bóng sẽ có nhiều khe phát tia và phía đối diện sẽ có nhiều đầu thu nhận
sắp xếp theo chiều dọc của khung máy. Tốc độ quay của bóng ở máy đa dãy cũng được
đẩy lên rất cao (từ 0,32s-0,6s/vòng quay) tùy thế hệ máy. Kỹ thuật chụp xoắn tốc độ
nhanh hơn, bề dày lớp cắt, quãng cách giữa các lớp cắt mỏng hơn đó là những ưu thế
tuyệt đối của máy đa dãy. Mặc dù có nhiều dãy song trên thực tế không phải bao giờ máy
cũng sử dụng các dãy một cách tối đa. Tùy thuộc vào từng mục đích thăm khám mà người
ta sẽ lựa chọn chương trình chụp với số lượng khe phát tia và số đầu thu hoạt động một
cách phù hợp nhất. Sử dụng máy đa dãy sẽ hạn chế được các xảo ảnh khi thăm khám các
cơ quan không tĩnh trong cơ thể (tim, phổi, dòng chảy mạch máu...) và việc lắp ghép các
lớp cắt mỏng hơn sẽ tạo ra được hình ảnh liên tục của các cơ quan cần thăm khám mà
không có sự chồng lắp ảnh. Kết hợp kỹ thuật tái tạo chồng lấp, chụp cắt lớp vi tính đa dãy
(MSCT) có thể tạo ra các hình ảnh ở nhiều bình diện khác nhau ( MPR) với độ phân giải
không ém nhiều so với ảnh có được từ các lát cắt cơ bản. Điều này giúp cho việc quan
sát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

13
được các tổn thương một cách liên tục ở các bình diện khác nhau và có thể đo đạc chính
xác kích thước của chúng.

Hình 1.14 Nguyên lý chụp CLVT đa dãy đầu thu
Hiện nay trên thế giới, các hãng sản xuất máy CT đã ngừng chế tạo loại máy CT
một lát cắt (single-slice CT) hay một dãy đầu thu. Máy có cấu hình thấp nhất hiện nay
là CT hai dãy đầu thu (dual-slice CT) và trong tương lai gần sẽ chỉ sản xuất CT 4 dãy
đầu thu trở lên. Công nghệ chế tạo CT phát triển theo hai hướng: (1) Tăng số lượng dãy
đầu thu để tăng tốc độ chụp, ví dụ như các hãng Philips, Siemens, GE đã cho ra đời
máy CT 128 dãy đầu thu, Toshiba có CT 320 dãy. Máy CT chụp nhanh nhất hiện nay cho
phép chụp tim và mạch vành trong một nhịp đập, chụp toàn bộ não và tưới máu não
trong một vòng quay của bóng (0,35 giây), (2) Tăng số lượng nguồn phát tia (từ một
nguồn trở thành hai nguồn), loại máy này cho phép chụp với hai mức năng lượng khác
nhau, cho ra hai loại ảnh và sau đó có thể chồng hình lên nhau.
Sự ra đời của máy chụp CLVT thực sự là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chẩn
đoán hình ảnh, không chỉ vì cấu trúc vật thể được hiển thị với độ phân giải rất cao mà
điều quan trọng nữa là phương pháp tái tạo ảnh này đã khắc phục được một nhược điểm
rất cơ bản của X quang qui ước đó là sự chồng hình (các tạng, các bộ phận nằm trên
đường đi của tia x sẽ bị chồng hình trên phim chụp, không tách biệt được). Ngược lại,
trên mỗi lớp cắt của ảnh chụp CLVT, các bộ phận được tách biệt rõ. Ví dụ, trên một lớp
cắt qua sọ ta có thể thấy rõ giới hạn các thành phần chất trắng, chất xám, hệ thống các
não thất cũng như các ổ thay đổi tỷ trọng bất thường của mô não đều được xác định
chính xác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

14
1.2.3 Chuẩn ảnh cắt lớp
Các ảnh được sinh ra từ các máy sinh ảnh CT, MRI... là các ảnh 2D được lưu trữ dưới
định dạng DICOM[11,20]. Ngày nay hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụng
DICOM vào trong các thiết bị y khoa.

Hình 1.15 Các ảnh được lưu dưới dạng DICOM [19]
DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine): Tiêu chuẩn ảnh và
truyền thông trong y tế, được phát triển từ năm 1988, là qui chuẩn về định dạng và trao
đổi ảnh y tế cùng các thông tin liên quan, từ đó tạo ra một phương thức chung nhằm
đáp ứng nhu cầu của các nhà sản xuất cũng như người sử dụng trong việc kết nối, lưu
trữ, trao đổi, in ấn ảnh y tế. Tiêu chuẩn này bao gồm cả việc định nghĩa cấu trúc tập tin
và giao thức truyền thông tin. Giao thức truyền thông tin là một giao thức ứng dụng sử
dụng nền tảng TCP/IP để giao tiếp lẫn nhau giữa các hệ thống. Các tập tin DICOM có thể
được trao đổi lẫn nhau giữa các hệ thống khi các hệ thống này có khả năng thu nhận hình
ảnh và dữ liệu bệnh nhân theo định dạng DICOM. Hiệp hội các nhà sản xuất điện - điện tử
Hoa kỳ nắm giữ bản quyền của tiêu chuẩn (DICOM broschure). Tiêu chuẩn này được phát
triển bởi Ủy ban tiêu chuẩn DICOM, với các thành viên thuộc Hiệp hội Các nhà sản xuất
Điện - Điện tử Hoa Kỳ.
Tiêu chuẩn DICOM cho phép việc tích hợp dễ dàng các máy thu nhận hình ảnh,
server, trạm làm việc (workstation), máy in và các thiết bị phần cứng khác có nối mạng từ
các nhà sản xuất khác nhau vào trong hệ thống PACS (Hệ thống PACS được ứng dụng
trong quá trình thu thập, truyền tải, lưu trữ, quả lý, chẩn đoán, xử lý
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

15
thông tin của các thiết bị trị liệu kĩ thuật số như CT, MR, US, X quang, DSA, CR.). Các thiết
bị khác nhau được đi kèm một bảng đáp ứng các tiêu chuẩn DICOM để làm rõ các lớp
dịch vụ mà thiết bị này hỗ trợ. DICOM đã dần dần được chấp nhận rộng rãi ở các bệnh
viện và phòng khám.
DICOM là một chuẩn công nghệ áp dụng cho việc truyền hình ảnh và thông tin y
tế giữa những thiết bị điện tử như máy chụp cắt lớp - CT, cộng hưởng từ - MRI hay siêu
âm-ultrasound. Mục đích là cung cấp một cấu trúc mở để các thiết bị của những hãng
khác nhau có thể kết nối được với nhau. DICOM dựa trên mô hình mở OSI (Open System
Interconnect). DICOM thuộc về tầng thứ 7 (tầng ứng dụng). DICOM là một mô hình
hướng đối tượng trong đó thông tin và những chức năng được nhóm lại thành những gói
(packet) gọi là đối tượng (object) cho dễ quản lý. DICOM có những thông tin tường minh
về đối tượng. Với DICOM, phương thức có thể điều khiển những chức năng dựa trên
những thông tin về đối tượng để xem đưa ảnh ra file hay trên film, vùng hình ảnh sẽ xuất
hiện trên phim với mục đích nghiên cứu, chẩn đoán cho bệnh nhân người ta sẽ đưa ra
một tập hợp ảnh liên quan đến bệnh nhân đó trên một không gian nghiên cứu của bệnh
nhân.
Một file DICOM ngoài dữ liệu về bản thân hình ảnh, còn chứa cả những thông
tin khác như thông tin về bệnh nhân, về loại máy scan, v.v.... Vì thể tổ chức của file
DICOM được xây dựng dựa trên phần Header - phần dữ liệu chứa các thông tin chung
và phần Data Set - phần dữ liệu về hình ảnh.
 File ảnh DICOM
- File DICOM là file lưu trữ theo định dạng DICOM. File này lưu trữ những thông tin
sau[5]:
 Thông tin bệnh nhân.
 Thông tin về lần khám của ảnh.
 Thông tin lượt viếng thăm.
 Thông tin về thiết bị y khoa đã sinh ra ảnh.

 Ảnh của bệnh nhân.
- DICOM hỗ trợ các định dạng ảnh JPEG, JPEG Lossless , JPEG 2000, LZW
và Run-length encoding (RLE).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn


16
Cấu trúc căn bản của file DICOM là Data Set.

Hình 1.16 Cấu tạo Data Set
- Các khái niệm trong DICOM
Khái niệm
Data Set

Ý nghĩa
- Là tập hợp nhiều Data Element trong một file DICOM.

Data Element

- Là một đơn vị thông tin trong DICOM file. Date
Element chứa một thông tin đầy đủ. Các field trong Data
Element có nhiệm vụ đặc tả đầy đủ một thông tin, đặc tả bao
gồm: ý nghĩa, giá trị, chiều dài của tin và định dạng dữ liệu
của tin.

Tag

- Là 2 số nguyên không dấu, mỗi số 16 bit. Cặp số nguyên
này xác định ý nghĩa của Data Element như tên bệnh nhân,
chiều cao của ảnh, số bit màu, ... Một số xác định Group
Number và số kia xác định Element Number.
- Giá trị của Group Number và Element Number cho biết Data
Element nói lên thông tin nào. Các thông tin nào. Các thông
tin (Data Element) cùng liên quan đến một nhóm ngữ nghĩa sẽ
có chung số Group Number.

VR (Value Representation)

VM (Value Multiplicity)

- Đây là field tùy chọn, tùy vào giá trị của Transfer
Syntax mà VR có mặt trong Data Element hay không.
- Giá trị của VR cho biết kiểu dữ liệu và định dạng giá trị của
Data Element.
- Cho biết số lượng Value của Value Field nếu Value
Field có nhiều giá trị.
- Nếu số lượng Value không xác định, VM sẽ có dạng “a- b”
với a số giá trị Value nhỏ nhất và b là số Value lớn nhất có
thể có của Data Element.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn

17
Khái niệm

Ý nghĩa

VD: VM = “6-10” : Value Field có ít nhất là 6 giá trị và
nhiều nhất là 10 giá trị.
- Data Element với Value Field có nhiều giá trị sẽ
• Với chuỗi kí tự, dùng kí tự 5Ch (‘V) làm kí tự phân cách.
• Với giá trị nhị phân, không có kí tự phân cách.
- Là một số nguyên không dấu, có độ dài là 16 hay 32 bit. Giá
trị của Value Length cho biết độ lớn (tính theo byte) của field
Value Field (không phải là độ lớn của toàn bộ Data Element).
Value Length
- Giá trị của Value Length là FFFFFFFFh (32 bit) hàm ý không
xác định được chiều dài (Undefined Length).
- Là nội dung thông tin (Data Element). Kiểu dữ liệu của
field này do VR quy định và độ lớn (tính theo byte) nằm
Value Field
trong Value Length.
- Transfer Syntax là các quy ước định dạng dữ liệu. Giá
trị của Transfer Syntax cho biết cách dữ liệu được định dạng
và mã hóa trong DICOM đồng thời cũng cho biết VR sẽ có
Transfer Syntax
tồn tại trong Data Element hay không.
- Mặc định ban đầu, Transfer Syntax của file DICOM là
Explicit VR Little Endian Transfer Syntax.
- IOD đại diện cho một đối tượng chứa thông tin và đối
tượng này có tồn tại trong thế giới thực. Thông tin của đối

Information Object
tượng IOD là thông tin của đối tượng trong thế giới thực.
Definition (IOD)
- Có 2 loại IOD
• Composite IOD: là IOD đại diện cho những phần khác
nhau của các đối tượng khác nhau trong thế giới thực.
• Normalized IOD: là IOD cho duy nhất một đối tượng
trong thế giới thực.
- Lớp SOP được tạo ra khi ghép một IOD với DIMSE
Service dành cho IOD đó.
- Có 2 loại lớp SOP
Lớp Service-Object Pair
• Lớp Normalized SOP: được tạo ra khi ghép Normalized
(SOP)
IOD với các dịch vụ DIMSE-N.
• Lớp Composite SOP: được tạo ra khi ghép Composite
IOD với các dịch vụ DIMSE-C.
- Thứ tự của chuỗi byte: một giá trị sẽ được lưu thành một hay nhiều byte
trong file. Có 2 quy ước quy định thứ tự xuất hiện của các byte của một giá trị nào đó
trong file DICOM.
Little Endian

- Đối với số nhị phân gồm nhiều byte thì byte có trọng số thấp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

http://www.
lrc.tnu.edu.vn