MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
MỤC LỤC HÌNH VẼ .................................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỤP CẮT LỚP MÁY TÍNH CT SCANNER ...8
1.1. Kiến thức chung về chụp cắt lớp vi tính ..........................................................8
1.1.1. Q trình ra đời và lịch sử phát triển ........................................................8
1.2 Các thế hệ máy CT-Scanner. .............................................................................9
1.2.1 Thế hệ máy CT thứ nhất.............................................................................9
1.2.2. Thế hệ máy CT thứ hai............................................................................10
1.2.3. Thế hệ máy CT thứ ba. ............................................................................11
1.2.4. Thế hệ máy CT thứ tư. ............................................................................12
1.2.5. Thế hệ máy CT thứ năm..........................................................................12
1.3. Nguyên lý cơ bản của phương pháp chụp ảnh CT. ........................................13
1.3.1. Mơ hình cơ sở..........................................................................................13
1.3.2. Thang đo độ suy giảm tuyến tính của tia X. ...........................................16
1.3.3. Cơ sở tạo ảnh. ..........................................................................................17
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO MÁY CT SCANNER ..................................................21
2.1. Cấu tạo cơ bản một máy CT-Scanner ........................................................21
2.1.2. Giàn quay. ...............................................................................................23
2.1.3. Giàn quay của máy CT thế hệ thư ba và thứ tư. .....................................24
2.1.4. Ống tia X (Bóng X-quang). .....................................................................28
2.1.5. Bộ chuẩn trực (Colimator). .....................................................................29
2.1.6. Bộ điều khiển hình dạng chùm tia X.......................................................32
2.1.7. Đầu dò. ....................................................................................................33
2.1.8. Hệ thống thu thập và tích luỹ dữ liệu. .....................................................38

1


2.1.9. Bàn bệnh nhân (Patien Couch)................................................................40

2.1.10. Hệ thống máy tính. ................................................................................42
2.1.11. Hệ thống nguồn cao áp. .........................................................................44
2.1.12. Bàn điều khiển.......................................................................................46
2.1.13. Máy in phim LASER. ...........................................................................47
2.2. Một số đặc điểm của các máy CT hiện đại. ...................................................48
2.2.1. Hạn chế ảnh hưởng của bức xạ thứ cấp. .................................................48
2.2.2 Chất lượng tia X– hiệu ứng làm cứng tia. ................................................49
2.2.7. Các kiểu quét, chụp của máy CT hiện nay. .............................................51
2.3. Một số dòng máy CT-Scanner hiện đại. ........................................................53
2.3.1. Máy CT-Scanner Definition SOMATOM Flash – Siements. .................53
2.3.2. Dòng máy CT-Revolution VCT Light Speed – GE. ...............................55
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DI CHUYỂN BÀN VÀ
GANTRY CỦA MÁY CHỤP CẮT LỚP VI TÍNH TẠI KHOA CHẨN ĐỐN
HÌNH ẢNH BỆNH VIỆN ĐA KHOA TỈNH BẮC GIANG ...................................58
3.1. Nghiên cứu hệ thống bàn và gantry trong thực tế ..........................................58
3.1.1. Bàn điều khiển.........................................................................................59
3.1.2. Bàn bệnh nhân ( Couch ).........................................................................61
3.1.3. Khối Gantry.............................................................................................64
3.2. Mô Phỏng Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước ................................................66
3.2.1 Động cơ bước ...........................................................................................66
3.2.2

Khối điều khiển .....................................................................................70

3.2.3

IC đệm dịng ULN2003: .......................................................................72

3.2.4


Mơ phỏng điều khiển động cơ bước ..................................................73

KẾT LUẬN ...........................................................................................................74
Danh mục tài liệu tham khảo. ...................................................................................75

2


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan, những gì tơi viết trong luận văn này là do sự tìm tịi và nghiên cứu
của bản thân. Các số liệu trong luận văn là có thực, mọi kết quả nghiên cứu cũng như
ý tưởng của tác giả đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ
luận văn thạc sĩ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan.
Hà Nội, ngày 21 tháng11 năm 2016
Học viên

TRƯƠNG ĐỨC THUẬN

3


MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Mơ tả phương thức quét của máy CT thế hệ thứ nhất ..............................10
Hình 1. 2 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ hai ..........................................10
Hình 1. 3 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ ba............................................11
Hình 1. 4 Máy Somatom của hãng Siemens sử dụng 2 nguồn bức xạ tia X. ............12
Hình 1. 5 Máy CT thế hệ thứ năm. ............................................................................13
Hình 1. 6 Mơ hình hệ thống CT đơn giản nhất. (1967). ...........................................14

Hình 1. 7 Ngun tố thể tích Voxel và ngun tố ảnh pixel. .....................................15
Hình 1. 8 Bảng Trị Số CT của nước, khơng khí và các cơ quan nội tạng. ...............17
Hình 1. 9 Tạo ảnh bằng tái tạo đơn giản (a) và Tái tạo ảnh có ứng dụng của hàm
lọc cùng thuật tốn convolution (b). .........................................................................19
Hình 1. 10 Các hệ toạ độ trong máy CT chùm tia song song. ..................................20
Hình 2. 1 : Hệ thống máy CT-Scanner thực tế..........................................................22
Hình 2. 2 : Mơ hình hệ thống máy CT-Scanner. .......................................................22
Hình 2. 3 Bên trong giàn quay của máy CT-Scanner. ..............................................24
Hình 2. 4 Hai loại vịng trượt hình đĩa và hình trụ. ..................................................26
Hình 2. 5 Hai phương thức tiếp điện vịng trượt. A: tiếp điện áp thấp, B: tiếp điện
áp cao ........................................................................................................................27
Hình 2. 6 : (A) : Vòng Trượt; (B) : Chổi quét của hãng Picker International (Hoa
Kỳ) ; (C) : Chổi quét của hãng Venturetec Mechatronic (Đức) ...............................27
Hình 2. 7 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của 1 ống tia X. ..................................28
Hình 2. 8 Một ống tia X trong thực tế. ......................................................................29
Hình 2. 9 Thứ tự sắp xếp bộ chuẩn trực trong máy CT. ...........................................30
Hình 2. 10 Chuẩn trực pre-patien đặt kèm ống tia X. ..............................................31
Hình 2. 11 Chuẩn trực trước bệnh nhân Pre-patien. ................................................31
Hình 2. 12 Hai loại lưới chuẩn trực sau bệnh nhân post-patien. . ...........................32
Hình 2. 13 Bố trí bóng X quang, cụm đầu dị và các bộ chuẩn trực để tạo chùm tia
X hình rẻ quạt, có thể điều khiển độ dầy và khử tia phát xạ thứ cấp. .......................33

4


Hình 2. 14 Đầu dị khí Xenon. ...................................................................................34
Hình 2. 15 Cấu trúc đầu dị khí Xenon. ....................................................................35
Hình 2. 16 Cấu trúc đầu dị chất rắn. .......................................................................36
Hình 2. 17 Mảng đầu dị ...........................................................................................38
Hình 2. 18 một phần của mảng đầu dị (phóng to). ..................................................39

Hình 2. 19 Sơ đồ khối hệ thống tích luỹ dữ liệu DAS. ..............................................39
Hình 2. 20 Hệ thống tích luỹ dữ liệu DAS đặt ngay phía dưới mảng đầu dị. ..........40
Hình 2. 21 Bàn bệnh nhân và giàn quay. ..................................................................41
Hình 2. 22 Mơ hình hệ thống máy tính của máy CT. ................................................43
Hình 2. 23 Mơ hình nguồn cao thế của máy CT. ......................................................44
Hình 2. 24 Phần chính của hệ thống cao áp nhìn từ vỏ ngồi (a) và bên trong (b). 45
Hình 2. 25 Vỏ ngồi cùng của bộ cao áp trong máy CT...........................................45
Hình 2. 26 Biến thế cao áp trong bộ cao áp. ............................................................46
Hình 2. 27 Bàn điều khiển của hệ thống CT-Scanner. ..............................................46
Hình 2. 28 Hạn chế bức xạ thứ cấp dùng bộ chuẩn trực trong máy quét thế hệ thứ tư
và thứ năm. ................................................................................................................48
Hình 2. 29 Hệ số suy giảm bằng nhau khi tia X là đơn sắc (a) hoặc khi có dùng
thêm phụ kiện để làm đồng đều khoảng cách truyền tia (c). Hệ số suy giảm thay đổi
khi phổ tia X rộng và đường truyền khác nhau (b). ..................................................50
Hình 2. 30 Mơ tả kiểu qt cắt lớp thơng thường. ....................................................51
Hình 2. 31 : Kiểu quét nhanh / quét cụm: quét và dịch chuyển bàn tuần tự. ...........52
Hình 2. 32 Quét đơn lát cắt và quét đa lát cắt. .........................................................53
Hình 2. 33 Máy Definition SOMATOM Flash ..........................................................55
Hình 2. 34 Cấu trúc cơ bản của máy Somatom. .......................................................55
Hình 2. 35 Máy CT-Revolution của hãng General Electric .....................................57
Hình 3. 1 Hình dáng tổng thể của máy CT MX8000 D .............................................58
Hình 3. 2 Sơ đồ khối của máy CT- SCANNER trong thực tế ....................................59
Hình 3. 3 Bàn điều khiển máy CT .............................................................................59
Hình 3. 4 Hộp điều khiển ( CT-box ).........................................................................60
5


Hình 3. 5 Hình dáng bên ngồi của bàn bệnh nhân ( Couch ) .................................61
Hình 3. 6 Bàn bệnh nhân sau khi tháo lớp vỏ bên ngồi ..........................................61
Hình 3. 7 Phần điều khiển chuyển động bàn ............................................................62

Hình 3. 8 Khớp tĩnh và trục điều khiển mặt bàn .......................................................63
Hình 3. 9 Encoder xác định vị trí ..............................................................................63
Hình 3. 10 Hình ảnh bề mặt ngồi khối Gantry........................................................64
Hình 3. 11 Bên trong khối Gantry .............................................................................64
Hình 3. 12 Hệ thống quay Rotor ...............................................................................65
Hình 3. 13 Hệ thống làm nghiêng khối Gantry .........................................................66
Hình 3. 14 Sơ đồ cấu tạo động cơ đơn cực 6 đầu dây góc quay 90 độ ....................67
Hình 3. 15 Điều khiển vi bước ..................................................................................69
Hình 3. 16 Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ bước .............................................70
Hình 3. 17 Sơ đồ chân Vi điều khiển AT89C51 ........................................................71
Hình 3. 18 Sơ đồ khối IC ULN2003 ..........................................................................72
Hình 3. 19 Sơ đồ cấu tạo 1 kênh đệm dịng của ULN2003 .......................................73
Hình 3. 20 Mơ phỏng điều khiển động cơ bước ........................................................73

6


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội, các thiết bị y tế hiện đại như CTSCANNER, PET, MRI…cũng được nghiên cứu, thiết kế và hoàn thiện để đáp ứng
cho nhu cầu sống ngày càng cao của con người.
Trong q cơng tác của mình tơi được tiếp xúc nhiều với thiết bị y tế trong bệnh viện,
đặc biết là máy chụp cắt lớp vi tính CT- Scanner. Do đó tơi đã chọn đề tài “ Nghiên
cứu hệ thống điều khiển di chuyển bàn và gantry của máy chụp cắt lớp vi tính tại
khoa chẩn đốn hình ảnh bệnh viện đa khoa tỉnh Bắc Giang”
Đồ án bao gồm 3 chương :
Chương 1: Tổng quan về chụp cắt lớp vi tính CT Scanner
Chương 2 : Cấu tạo máy CT Scanner
Chương 3: Nghiên cứu hệ thống điều khiển di chuyển bàn và gantry của máy chụp
cắt lớp vi tính tại khoa chẩn đốn hình ảnh bệnh viện đa khoa tỉnh Bắc giang
Do cịn có nhiều hạn chế về mặt kiến thức và thời gian nên đồ án vẫn còn nhiều thiếu

sót , rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp của thầy cơ và các bạn để đồ án của
tơi có thể được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Phan Kiên – giảng viên bộ môn
Điện Tử Y Sinh, các thầy cô giáo trong bộ môn Điện Tử Y Sinh đã tận tình giúp đỡ
tơi trong suốt thời gian thực hiện đồ án, để tơi có thể hồn thành đồ án đúng tiến độ
và đảm bảo kết quả đã đề ra. Tôi xin chân thành cảm ơn.

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỤP CẮT LỚP MÁY
TÍNH CT SCANNER
Chương này sẽ đưa ra kiến thức chung nhất về lịch sử phát triển cũng như những vấn
đề liên quan đến máy chụp cắt lớp vi tính CT SCANNER

1.1. Kiến thức chung về chụp cắt lớp vi tính
1.1.1. Q trình ra đời và lịch sử phát triển
Chụp cắt lớp máy tính CT – Scanner có tên gọi đầy đủ là computer tomography
Scanner, đây chính là một phương pháp khảo sát cấu trúc của đối tượng cần nghiên
cứu theo từng lớp cắt,dựa trên đặc tính tương tác giữa các trường vật lý hoặc các hạt
cơ bản chuyển động với cấu trúc của đối tượng cần nghiên cứu.Từ những tín hiệu thu
được qua q trình khảo sát và các thuật tốn khơi phục ảnh,chúng ta có thể khơi phục
lại cấu trúc của đối tượng theo các mức độ chính xác khác nhau.
Vào năm 1895, trong q trình nghiên cứu sự phóng điện ở khí kém, nhà bác học
Rơnghen người Đức đã phát hiện thấy một loại tia có khả năng đâm xuyên qua lớp
vật chất, làm đen kính ảnh... được đặt tên là tia X và thường gọi là tia Rơnghen.
Tia Rơnghen đã được đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt
trong ngành y tế, sự ra đời của máy chụp X Quang đã hỗ trợ các bác sỹ rất nhiều trong
cơng tác chẩn đốn và điều trị. Tuy nhiên, các máy chụp X Quang thơng thường có
độ phân giải không cao, ảnh thu được lại là xếp chồng các ảnh của các thành phần có

tia X đi qua.
Để giải quyết vấn đề này người ta đi tìm một phương pháp mới để có thể thu được
những bức ảnh X-Quang rõ nét và dễ dàng quan sát hơn. 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. Bắt
đầu từ đây các nghiên cứu và các thiết kế về thiết bị chụp cắt lớp được ra đời và không
ngừng được cải tiến nhằm nâng cao : chất lượng ảnh, độ tương phản hình ảnh, độ
phân giải và giảm liều lượng tia X lên cơ thể bệnh nhân.

8


Như vậy, trong hơn 40 năm phát triển từ lý thuyết đến thực tiễn, máy chụp cắt lớp
điện toán đã được phát triển và ngày càng hồn thiện về cơng nghệ. Trải qua 5 thế
hệ máy, máy đã dần trở thành cơng cụ chẩn đốn hình ảnh ưu việt và được đánh giá
là một trong 10 phát minh lớn nhất thế kỷ XX. Ngày nay, máy CT đã được lắp đặt ở
rất nhiều bệnh viện trên thế giới và tương đối phổ biến.

1.2 Các thế hệ máy CT-Scanner.
1.2.1 Thế hệ máy CT thứ nhất.
Cấu trúc : Hệ thống của máy CT thế hệ thứ nhất ở mức khá đơn giản, chỉ bao gồm
một đầu dò, chùm tia phát ra hẹp và song song dạng thẳng có kích thước cỡ một chiếc
bút chì.
Phương thức qt : Bóng X-quang và đầu dị được gắn cố định, dịch chuyển song
song theo hướng vuông góc với chùm tia và bao trùm tồn bộ mặt phẳng lớp cắt. Sau
đó tồn bộ hệ thống này quay một góc rồi lặp lại q trình dịch chuyển song song.
Q trình tiếp diễn cho tới khi số lượng tín hiệu thu được đủ lớn để tái tạo ảnh.
Hệ thống này hiện tại gần như đã bị loại bỏ trong ứng dụng vì hiệu suất sử dụng rất
kém, thời gian để tạo được ảnh có khi mất gần nửa ngày. Do chỉ có một đầu dị và sử
dụng tia X có dạng song song, bởi vậy khơng tận dụng hết được hiệu suất của bóng
X quang, trong khi bức xạ tia X từ anode có thể bao trùm một góc 6,28 rad thì chùm

tia bức xạ dùng để chụp chỉ bao trùm một góc 10−4 rad. Mặt khác do cần thiết phải
tạo liều bức xạ tại cảm biến đầu dò đủ lớn để đo nên máy khó lịng dịch chuyển với
tốc độ cao.
Với hệ thống này, việc tái tạo ảnh có nhanh cũng phải mất đến cỡ 10 phút, bởi vậy
trong thời đoạn đầu của máy CT, loại máy này chỉ dùng để chụp các cơ quan tĩnh như
xương và sọ não.

9


Hình 1. 1 Mơ tả phương thức qt của máy CT thế hệ thứ nhất
1.2.2. Thế hệ máy CT thứ hai.
Cấu trúc : Thay vì dùng một đầu dị như ở thế hệ thứ nhất, máy dùng một chùm đầu
dò khoảng 20 – 30 chiếc bố trí kề nhau trong hướng qt, chùm tia có dạng hình quạt.
( Hình 1.2 ).
Phương thức quét : Máy thế hệ thứ hai vẫn có chùm tia chưa bao trùm hết được tồn
bộ lát cắt ở cơ thể người, bởi vậy hệ thống vẫn thực hiện hai loại dịch chuyển là song
song và quay để thực hiện các phép chiếu.

Hình 1. 2 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ hai
Với cách bố trí hệ thống đo này, nguồn bức xạ tia X từ bóng X quang được sử dụng
hiệu quả hơn nhiều, có thể thực hiện được nhiều phép chiếu tương ứng với số lượng
cảm biến và thu được nhiều dữ liệu đo đồng thời, vì vậy góc quay và khoảng dịch
chuyển giữa hai lần chiếu theo mặt phẳng ngang sẽ tăng, kết quả giảm tổng số bước

10


quét phẳng và số lần quay của hệ thống đo. Tuy vậy với hệ thống này, tuỳ thuộc vào
số cảm biến thời gian tạo ảnh một lớp cắt trong khoảng từ 10 – 60 giây. Tuy nhiên do

quán tính cơ học khi chuyển động ngang hoặc quay, việc giảm thời gian tạo ảnh xuống
thấp nữa đối với hệ thống đo này không thể thực hiện được.
1.2.3. Thế hệ máy CT thứ ba.
Cấu trúc : Số lượng đầu dò tăng lên hàng trăm chiếc được chế tạo ở dạng mảng đầu
dò, hệ thống đầu dị được gắn cố định với bóng X quang. Bóng X quang phát chùm
tia X có hình rẻ quạt với góc từ 30 − 60𝑜 tuỳ theo số lượng đầu dò, tuy nhiên chùm
tia X và hệ thống đầu dị bao trùm tồn bộ lát cắt.
Phương thức quét : Hệ thống đo quay quanh đối tượng một góc 360 độ. Trong q
trình quay, tia X được phát thành xung tại những góc cố định hoặc phát liên tục.

Hình 1. 3 Phương thức quét của máy CT thế hệ thứ ba
Với cấu trúc này, nguồn bức xạ tia X được sử dụng tối ưu hơn, hệ thống chỉ thực hiện
chuyển động quay và quay liên tục nên thời gian chụp giảm xuống rõ rệt chỉ còn cỡ
5 – 10 giây. Giảm thiểu liều lượng bức xạ mà bệnh nhân phải chịu trong quá trình
chụp.
Khả năng quét : quét được nhiều lớp cắt trong thời gian ngắn, nhưng các lớp cắt được
chụp không liên tục.

11


1.2.4. Thế hệ máy CT thứ tư.
Cấu trúc : Mảng đầu dị và bóng X quang vẫn được gắn cố định, tuy nhiên các nhà
sản xuất đã làm một hệ thống kép gồm hai bóng X quang và 2 mảng đầu dị hoạt động
cùng lúc. Điển hình là hãng Siemens.
Phương thức quét : không thay đổi so với máy thế hệ thứ ba.
Ưu điểm : thời gian chụp rất ngắn, cỡ chừng 1-5 giây. Ở máy Somatom của Siemens
sản xuất đầu năm 2014, thời gian chụp một lát cắt ở ngực một người lớn chỉ mất 1
giây, giúp cho bệnh nhân khơng phải ngừng thở trong q trình chụp.
Thế hệ máy thứ tư có sử dụng thêm các cơng nghệ mới về vi mạch và cảm biến, do

vậy nhiễu được giảm, khơng cịn nhiễu hình trịn (ring artifact) như thường xảy ra với
các máy thế hệ thứ ba.

Hình 1. 4 Máy Somatom của hãng Siemens sử dụng 2 nguồn bức xạ tia X.
1.2.5. Thế hệ máy CT thứ năm.
Cấu trúc : Khác với những máy thuộc thế hệ trước, bóng X quang và đầu dò gắn chặt
với nhau, cùng dịch chuyển hoặc quay. Máy thế hệ thứ năm có hệ thống đầu dị tách
biệt với bóng X quang - đó là một tập hợp rất nhiều đầu dị, bố trí trên một vòng tròn
bao quanh khoang bệnh nhân và các đầu dị được cố định trên vịng trịn này. Bóng
X quang được tách rời, và có khả năng quay 360 độ liên tục không cần ngừng để đảo
chiều.

12


Phương pháp qt: Bóng X quang quay trịn quanh bệnh nhân, chùm tia phát thành
hình rẻ quạt bao phủ vùng cần khám nghiệm, các phần tử cảm biến đầu dò sẽ được
đóng / ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng.

Hình 1. 5 Máy CT thế hệ thứ năm.
Ưu điểm của loại máy thuộc thế hệ thứ năm: Thời gian chụp ngắn nhất tương tự như
đối với thế hệ thứ ba, cỡ một vài giây. Khơng bị nhiễu ảnh hình trịn (ring artifact)
như thường xẩy ra đối với máy thuộc thế hệ thứ ba. Tuy nhiên máy có cấu trúc phức
tạp vì số lượng đầu dò lớn hơn rất nhiều, số lượng đầu dò bao phủ kín vịng trịn
khoang bệnh nhân.
Hiện tại chưa có nhiều hãng có thể sản xuất loại máy này, chỉ có một vài hãng như
Toshiba, Picker… có thể sản xuất và sản phẩm thương mại chỉ chiếm 6%.

1.3. Nguyên lý cơ bản của phương pháp chụp ảnh CT.
1.3.1. Mơ hình cơ sở.

Mơ hình cơ sở đơn giản nhất của một hệ thống chụp CT được miêu tả ở hình1.6, hệ
thống đó đơn giản chỉ bao gồm : 1 ống phát tia X, 1 bộ chuẩn trực (Colimator), 1 đầu
dò cảm biến duy nhất (Detector), bộ đo lường điện tử, máy tính, màn hình hiển thị.

13


Hình 1. 6 Mơ hình hệ thống CT đơn giản nhất. (1967).
Cơ sở để tạo ra ảnh CT đó chính là việc dùng đầu dò cảm biến ghi nhận lại tia X sau
khi đi qua lát cắt, để tính tốn độ suy hao của tia X, từ đó có thể đưa ra những hình
ảnh quy ước theo thang màu.
Theo mơ hình trên, ống phát tia X sẽ phát ra 1 chùm tia X, sau khi đi qua bộ chuẩn
trực colimator, chùm tia này chỉ là một chùm tia nhỏ, có độ dày cỡ 1 chiếc bút chì.
Giả sử ta cần chụp ảnh 1 lớp cắt của cơ thể, ta sẽ cho chùm tia trên đi xuyên qua lớp
cắt, tại nhiều hướng khác nhau. Tuy nhiên, ta sẽ lần lượt dịch chuyển hệ thống ống X
quang và đầu dò trên mặt phẳng tiết diện cắt, vng góc với chùm tia. Đồng thời, cứ
mỗi lần dịch chuyển, đầu dò sẽ ghi nhận tia X, biến đổi thành tín hiệu điện thơng qua
bộ đo lường điện sẽ ghi lại cường độ của tia X, sau đó đưa dữ liệu về máy tính. Như
vậy sau khi đã dịch chuyển qua toàn bộ tiết diện lớp cắt, một tập hợp số liệu được ghi
lại tương ứng với một tiết diện chéo ( lateral sections ), tập hợp số liệu này được gọi
là một phép chiếu (projection).
Trái ngược với X-quang cổ điển, để tạo được ảnh trong kỹ thuật chụp ảnh CT, ta cần
nhiều phép chiếu. Hay nói đúng hơn là ta cần nhiều tập hợp dữ liệu như trên ở nhiều
hướng khác nhau. Những phép chiếu này được tạo ra bằng cách xoay hệ thống đầu
dị - ống phát xung quanh trục vng góc với mặt phẳng lớp cắt, mỗi lần xoay ta chỉ
xoay đi một góc nhỏ cỡ 1 độ. Sau khi xoay, ta lại thực hiện lần lượt quy trình chiếu

14



như trên để hoàn thành một phép chiếu. Lần lượt như vậy, các phép chiếu được liên
tiếp tạo ra cho đến khi cả hệ thống đã dịch chuyển 1 góc quay ít nhất 180 độ.

Hình 1. 7 Ngun tố thể tích Voxel và ngun tố ảnh pixel.
Trong q trình đo, những số đo như vậy sẽ được mã hoá theo một dạng thích hợp
rồi truyền tới máy tính. Với kỹ thuật ngày nay, để tạo được một ảnh cần tới hàng trăm
phép chiếu và mỗi phép chiếu cần tới vài trăm số đo, như vậy tổng cộng phải cần đến
100.000 – 1.000.000 số đo. Sau đó, dựa trên những số đo này, máy tính sẽ tính ra
những độ suy giảm và sự phân bố của những sự suy giảm này trên tiết diện lớp cắt
của đối tượng, những vùng có độ suy giảm cao sẽ được ấn định giá trị cao và ngược
lại.
Vì khả năng của máy tính chỉ có thể xử lý và tính tốn một số lượng giới hạn số đo
và độ suy giảm, nên cần phải giả thiết lớp cắt như là một tập hợp của rất nhiều ngun
tố thể tích (volume elements – voxels) hình khối lập phương và độ suy giảm tại mỗi
phần tử này là hằng số 𝜇𝑖 (hình 1.7). Máy tính sẽ xử lý và tính tốn cho các phần tử
15


thể tích này. Tuy nhiên cần ln nhớ rằng, trong thực tế, độ suy giảm tia X luôn biến
đổi ngay trong các nguyên tố thể tích riêng rẽ thuộc lớp cắt vì vậy trị số suy giảm tính
tốn chỉ là giá trị trung bình.
Đầu tiên, trong quá trình tạo ảnh, hình ảnh của lớp cắt chỉ được biểu hiện dưới dạng
những tập số liệu lưu giữ trong máy tính và khơng thể quan sát ngay bằng mắt. Để có
thể nhìn được, cách đơn giản nhất là tìm những giá trị độ suy giảm đã được đã được
bố trí theo đúng vị trí cịn gọi là ma trận điểm ảnh. Tuy nhiên để hình dung ra tấm
ảnh thơng qua các số liệu về độ suy giảm quả là một việc rất khó khăn vì số lượng
các giá trị này rất lớn , thơng thường một ma trận như vậy có từ 256 x 256 đến 512 x
512 hoặc có nhiều giá trị hơn với các ma trận cỡ lớn hơn nữa. Cách biểu diễn này rất
ít dùng có chăng chỉ đối với một phần của ảnh. Thông thường, ma trận số này được
chuyển đổi thành các mầu sắc trắng, xám, đen, hoặc mầu để hiển thị trên màn hình

và mắt người có thể phân biệt dễ dàng.
Trên thực tế, máy tính sẽ tính tốn các số liệu và đưa ra ma trận các giá trị độ suy
giảm cho mỗi điểm ảnh (pixel), từ đó đưa ra hình ảnh bằng cách gán màu cho các giá
trị độ suy giảm [3].
1.3.2. Thang đo độ suy giảm tuyến tính của tia X.
Để đánh giá độ suy giảm của một chất đồng chất đối với tia X đơn sắc, ta có phương
trình L’ambert :
𝐽 = 𝐽𝑜 . 𝑒 −𝜇𝑥

(1.1)

Trong đó :
𝐽 : Cường độ bức xạ tia X ló.
𝐽0 : Cường độ bức xạ tia X tới.
𝑥: Bề dày đối tượng.
𝜇 : Hệ số suy giảm tuyến tính của vật chất đối với tia X đơn sắc.
Trị số 𝜇 phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng lức xạ, bởi vậy chỉ có ứng dụng hạn chế
để đặc trưng hoá khả năng làm suy giảm bức xạ tia X của đối tượng. Do vậy trong
công nghệ chụp ảnh cắt lớp điện tốn CT, thay vì sử dụng các trị số 𝜇 một cách trực

16


tiếp, người ta sử dụng một đơn vị đặc trưng gọi là chỉ số CT (CT number). Chỉ số CT
được tính bởi cơng thức sau :
𝐶𝑇𝑖 =

𝜇𝑖 −𝜇𝑛ướ𝑐
𝜇𝑛ướ𝑐


.1000

(1.2)

Chỉ số CT có đơn vị là Hounsfield, viết tắt là HU.
Các trị số CT của nước, khơng khí, các cơ quan nội tạng của con người được minh
hoạ trên hình 1.8.

Hình 1. 8 Bảng Trị Số CT của nước, khơng khí và các cơ quan nội tạng.
Như vậy, trị số CT và độ suy giảm tuyến tính là hai đơn vị quan trọng trong việc tạo
ảnh CT. Cơng việc của máy tính chính là tìm ra trị số suy giảm tuyến tính, từ đó tính
ra các trị số CT rồi theo quy ước màu đưa ra ảnh cho từng pixel.Theo quy ước, nước
có trị số CT là 0, khơng khí có trị số CT là -1000
1.3.3. Cơ sở tạo ảnh.
a. Cơ sở lý thuyết chung.
Như đã phân tích chi tiết ở phần trên, máy CT có thể chụp ảnh quang tuyến X nhưng
lớp cắt ngang thuộc cơ thể mà những ảnh này khơng bị nhiễu gây ra bởi các bóng của
các lớp cận kề. Hơn nữa, trái với việc tạo ảnh quang tuyến cổ điển, hình ảnh CT
khơng cịn là ảnh xếp chồng. Điều mà nó tạo ra là biểu hiện được khả năng làm suy

17


giảm bức xạ tại chỗ của từng ảnh điểm – tức là thuộc tính vật lý của tế bào sinh học
được biểu hiện qua dạng mức xám.
Trong khi với phương pháp tạo ảnh quang tuyến X cổ điển, dù đã tạo được ảnh sắc
nét thì những hình ảnh của các lớp cận kề có mặt trong trường bức xạ cũng vẫn đặt
chồng vào ảnh của lớp cần quan tâm và trong một mức nào đó tạo ra bóng nhiễu,
trong máy CT thì những bóng này đã bị loại trừ vì điểm hội tụ và cảm biến đo chỉ
nằm trong mặt phẳng lớp cắt đang được nghiên cứu, và chùm tia bức xạ chỉ cắt lớp

này. Điều này có nghĩa là mỗi cấu trúc của mô trong lớp cắt tự tạo ra bóng ảnh của
mình. Nói cách khác, với một vị trí xác định của điểm hội tụ và cảm biến, sự phân bố
của cường độ đo được của tia X thâm nhập vào đối tượng chỉ cung cấp thông tin về
tổng của toàn bộ độ suy giảm đối với tia X khi xuyên qua đối tượng.
Để tạo ảnh từ những tập hợp dữ liệu bao gồm cường độ đã đo và các hướng chiếu, ta
cần phải thực hiện một số phép biến đổi từ phương trình (1.1) như sau :
Từ (1.1) ta có :
𝐽
= 𝑒 −𝜇𝑥
𝐽0
Lấy loga của hai vế rồi tính 𝜇 ta được :
𝜇=

1
𝑥

𝑙𝑛

𝐽
𝐽0

(1.3)

Nếu chỉ đơn giản đặt chồng (superposition) những tín hiệu cường độ riêng rẽ đã được
xử lý như trên vào ma trận ảnh thì sẽ khơng đạt u cầu vì hình ảnh được tạo ra như
vậy vẫn cịn tồn tại những bóng mờ dàn trải (extensive blurring) (hình 1.9 a).
Để khử những bóng mờ này, phép chiếu sau khi đã được tiền xử lý, sẽ được trộn
(convoluted) với hàm lọc trước khi được xếp chồng trở lại vào ma trận ảnh (hình 1.9
b).
Việc tái tạo ảnh theo các bước trên đây, ngày nay được áp dụng phổ biến trong các

máy CT, và được gọi là quá trình xử lý lọc. Quá trình này đã chỉnh lý các tín hiệu,
biến đổi chúng từ tín hiệu mang nhiễu tách ra các phần nhiễu (âm) và tín hiệu chuẩn
(dương). Nếu hàm lọc được lựa chọn thích hợp thì hình ảnh tái tạo sẽ khơng cịn bóng
nhiễu mờ.

18


Đặc trưng của quá trình xử lý lọc nhiễu là từng giá trị đo đều được chỉnh lý, sửa đổi
theo các mức độ khác nhau để phù hợp với từng ảnh điểm. Đây cũng là điểm đặc
trưng khác biệt giữa kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp điện toán CT với kỹ thuật chụp ảnh Xquang cổ điển trong công nghệ xử lý chống nhiễu [4].

Hình 1. 9 Tạo ảnh bằng tái tạo đơn giản (a) và Tái tạo ảnh có ứng dụng của hàm
lọc cùng thuật toán convolution (b).

b. Nguyên lý tái tạo ảnh trên thực tế.
Như ta đã biết, trên thực tế, để tạo ảnh CT, người ta phải coi lát cắt là một ma trận
các nguyên tố thể tích (voxel) và từ đó tạo dựng ma trận điểm ảnh (pixel). Mỗi điểm
ảnh trong ma trận đó lại được đặc trưng bởi một hệ số suy giảm tuyến tính 𝜇𝑖𝑗 . Như
vậy ta cần tới tập hợp rất nhiều phép chiếu theo các phương khác nhau, đối tượng
chụp càng phức tạp thì càng cần nhiều các phép chiếu. Ta cần có cơng thức tổng qt
hơn cho việc tái tạo ảnh.
Tuy nhiên, những đối tượng có cấu quá trúc tinh vi thì ít được tạo ảnh bằng CT, vì
chỉ có thể tạo được ảnh của đối tượng này với nhiều bóng mờ. Đứng về phương diện
19


lý thuyết thông tin, hệ thống đo thực hiện phép lọc thơng giai thấp và vì vậy nó chỉ
mơ phỏng đối tượng nào có mức đơ tinh vi nhất định. Vấn đề cần xác định xem cần
bao nhiêu phép chiếu sẽ được xem xét ở những phần sau: Bề dầy hữu hạn của cảm

biến và của hội tụ trong máy CT không nên xem như là nguyên nhân làm giới hạn độ
phân giải mà nên xem đó như là một điều kiện cần thiết để tái tạo một ảnh CT rõ ràng.

Hình 1. 10 Các hệ toạ độ trong máy CT chùm tia song song.
Để phân tích nguyên lý tái tạo ảnh, ta sử dụng loại máy CT có cấu trúc đơn giản nhất
– loại máy có chùm tia song song. Tuy các loại máy phát chùm rẻ quạt và hình cơn
và cảm biến mảng vịng địi hỏi các thuật toán phức tạp hơn, dù vậy chúng vẫn dẫn
xuất từ thuật toán áp dụng cho loại máy phát chùm tia song song bằng phép biến đổi
toạ độ.
Nguyên lý quét đơn giản được minh hoạ lại trên hình 1.10, trong đó một phép chiếu
(projection) được đặc trưng bởi vị trí 𝜂 trong hệ toạ độ 𝑂𝜂𝜉 lệch một góc 𝜑 so với
hệ toạ độ gốc cố định Oxy.
Cường độ 𝐽 của tia X sau khi đâm xuyên qua lớp vật chất được cảm biến ghi lại phụ
thuộc vào góc chiếu 𝜑, vị trí 𝜂 và cường độ tia tới 𝐽0 :
𝐽 = 𝐽(𝜂, 𝜉 ) = 𝐽0 . 𝑒 − ∫ 𝜇𝑑𝜉

(1.4)

Thơng qua tồn bộ các giá trị 𝐽(𝜑, 𝜂) đo được có thể tính ra tổng hệ số suy giảm 𝜇
trong lớp cắt. Giải phương trình tích phân trên sẽ tính được 𝜇. Tuy nhiên để thuận
tiện hơn, trước hết cần biến đổi phương trình (1.4) thành phương trình tích phân tuyến
tính bằng cách lập mối quan hệ giữa 𝐽(𝜑, 𝜂 ) và 𝐽0 rồi lấy loga hai vế :
20


𝑃𝜑(𝜂 ) = ln

𝐽0
𝐽(𝜑,𝜂)


= ∫ 𝜇. 𝑑𝜉(1.5)

Trong đó 𝑃𝜑(𝜂 ) là dữ liệu phép chiếu theo hướng 𝜑 và vị trí 𝜂.
Trong nhiều hệ thống máy CT, những phép tính loga này được thực hiện như là một
công đoạn của q trình tích luỹ dữ liệu và dữ liệu 𝑃𝜑(𝜂 ) được truyền tới máy tính,
vì vậy phép tính loga được xem như một phần trong quá trình xử lý dữ liệu đo và hàm
𝑃𝜑 là một phép chiếu.
Có hai phương pháp khác nhau áp dụng cho việc giải phương trình tích phân (1.5).
Trong phương pháp đầu tiên, phương trình này được viết dưới dạng rời rạc, tức là
𝜇𝜉 = ∑ 𝜇𝑖𝜉 , từ đó phương trình này được chuyển đổi thành một hệ phương trình đại
số tuyến tính, và sau khi giải hệ phương trình này, ta được các hệ số suy giảm tuyến
tính. Một phương pháp khác được sử dụng là phương pháp gần đúng.
Một máy tính sẽ thực hiện việc tính tốn tái tạo ảnh do khối lượng các phép tính là
rất lớn. Máy tính này cần có những phần tử tính tốn đặc biệt để đáp ứng u cầu giải
các thuật tốn CT nhanh, do đó việc xử lý tái tạo ảnh sẽ được rút ngắn thời gian [5].

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO MÁY CT SCANNER
Chương này sẽ trình bày cấu tạo của một máy chụp cắt lớp vi tính và qua đó cũng
giới thiệu một số máy CT Scanner hiện đại.

2.1. Cấu tạo cơ bản một máy CT-Scanner
Tuy đã trải qua nhiều thế hệ máy, nhiều cải tiến khác nhau, tuy nhiên một hệ thống
máy CT-Scanner thông thường đều bao gồm những thiết bị thành phần cơ bản sau :
1.

Giàn quay (GANTRY).

2.

Bàn bệnh nhân (PATIENT COUCH).


3.

Bàn điều khiển (CONSOLE).

4.

Hệ thống máy tính (COMPUTED SYSTEM).

5.

Hệ thống cao thế (HIGH TENSION GENERATOR).

6.

Máy in phim LASER.

7.

Các phụ kiện kèm theo: Đĩa từ, nguồn dự phòng (UPS)

21


Hình 2. 1 : Hệ thống máy CT-Scanner thực tế.
Một cách tổng quan, một hệ thống máy CT-Scanner được thể hiện ở hình 2.1 và hình
2.2. Do hệ thống máy CT-Scanner đã trải qua nhiều thế hệ, có nhiều cải tiến và nhiều
bước đột phá về cơng nghệ, vì vậy mỗi thế hệ có một cấu trúc, một cấu tạo riêng. Cấu
tạo của từng bộ phận theo từng thế hệ máy sẽ được trình bày ở phần các thế hệ máy
CT-Scanner. Trong phần cấu tạo chung khó có thể đi vào chi tiết.


Hình 2. 2 : Mơ hình hệ thống máy CT-Scanner.

22


2.1.2. Giàn quay.
Giàn quay là khối chứa nhiều thiết bị quan trọng nhất của hệ thống máy CT-Scanner
bao gồm các khối thiết bị sau đây (hình 2.3):
1.

Ống tia X (X-ray tube).

2.

Bộ lọc tia, hệ thống chuẩn trực, và đầu dò tham chiếu.

3.

Hệ thống chiếu sáng bên trong.

4.

Hệ thống tản nhiệt cho ống tia X.

5.

Hệ thống cao thế 75 kV.

6.


Động cơ quay của giàn.

7.

Bộ điều khiển quay.

8.

DAS – Hệ thống tích luỹ dữ liệu.

9.

Hệ thống mảng đầu dò (detector).

10.

Vòng trượt (Slip ring) (tuỳ thế hệ máy)

11.

Bộ điều khiển kiểm soát nhiệt độ đầu dò.

12.

Hệ thống nguồn cao thế 75-150 kV.

13.

Bộ chuyển đổi nguồn : AC - DC.


14.

Bộ lọc nhiễu tín hiệu.

Giàn quay có thể điều chỉnh nghiêng những góc ± 30𝑜 (tuỳ thuộc loại máy) để có thể
tạo các lớp cắt chéo, cắt vát. Góc nghiêng này có thể được đặt tự động nhờ hệ thống
máy tính và cơ khí hoặc nhờ vào người điều khiển điều chỉnh bằng tay (ở một số hệ
thống máy cũ).
Bên trong giàn quay, hệ thống đầu dị, bóng X-quang sẽ quay được nhờ vào một động
cơ điện. Tốc độ quay của hệ thống có thể đạt tới 1500 vịng/phút.
Đường kính vịng trong cùng của giàn quay là 700-720mm. Bệnh nhân sẽ nằm trên
bàn bệnh nhân và được di chuyển qua vòng trong này trong quá trình chụp cắt lớp.

23


Hình 2. 3 Bên trong giàn quay của máy CT-Scanner.
Dựa theo thế hệ máy và sự phát triển của công nghệ, đến thế hệ thứ 3 trở đi giàn quay
được chia làm hai loại :
Giàn quay khơng vịng trượt : là kiểu giàn quay thế hệ cũ, không thể quay một chiều,
chỉ có khả năng quay đảo chiều. Bị hạn chế về khả năng quay do giới hạn dây cấp
điện [6].
Giàn quay loại vịng trượt: có thêm bộ phận tiếp điện vòng trượt để cung cấp điện cho
ống tia X, bởi vậy loại giàn quay này có khả năng quay một chiều liên tục.
2.1.3. Giàn quay của máy CT thế hệ thư ba và thứ tư.
Hầu hết các máy CT hiện đại, chiếm đến 90% là máy thuộc thế hệ thứ 3. Ống tia X
và cụm mảng đầu dò được gắn cố định với nhau trên cùng một khung quay, chùm
tia X được phát ra có hình rẻ quạt.
a . Các kiểu quay.

Trong thế hệ thứ 3, để thu thập dữ liệu ảnh, giàn quay có thể quay theo hai cách là
quay đảo chiều và quay một chiều liên tục.

24


Những máy thuộc giai đoạn đầu áp dụng kiểu quay đảo chiều : quay thuận kim đồng
hồ 360 độ rồi quay ngược chiều kim đồng hồ 360 độ. Giai đoạn này do chưa có sự ra
đời của cơng nghệ vịng trượt, việc cấp điện cho ống tia X được thông qua dây cáp
điện cao thế. Tín hiệu dữ liệu được dẫn từ khối tích luỹ dữ liệu DAS tới máy tính
cũng thơng qua cáp tín hiệu và cáp điện. Bởi vậy không thể quay theo một chiều liên
tục. Do quán tính cơ học nên thời gian thực hiện một lát cắt không thể thấp hơn 3
giây. Và điều này chỉ cho phép tạo ra những lát cắt rời rạc.
Trong những năm 2000 – 2004, cơng nghệ vịng trượt ra đời, điều này khiến cho các
giàn quay được thiết kế và chế tạo theo kiểu mới, và giàn quay có khả năng quay liên
tục theo một chiều. Việc cấp điện, truyền tín hiệu giữa các bộ phận trong giàn quay
và từ giàn quay đến máy tính được thơng qua các vịng trượt. Nhờ kiểu quay này,
máy khơng cịn bị giới hạn của quán tính cơ học và thời gian thu thập dữ liệu ảnh 1
lớp cắt được giảm xuống còn khoảng 1 giây. Và điều này cho phép ta thực hiện các
lớp cắt liên tục không bị gián đoạn nhờ vào chuyển động liên tục của giàn quay và
bàn bệnh nhân [7].
b. Vòng trượt.
Vòng trượt là một thiết bị cơ điện có dạng của một vịng khun được xếp chồng bởi
nhiều đĩa hoặc xẻ rãnh mà những rãnh đó được tách biệt cách ly về điện, việc truyền
điện ở mỗi rãnh sẽ được thực hiện qua việc tiếp xúc bề mặt với từng chổi quét.
Nhờ cấu trúc chổi quét và vòng trượt, việc tiếp điện không cần đến cáp điện, chỉ cần
quay vòng trượt liên tục trong khi chổi quét vẫn tiếp xúc lên bề mặt các rãnh vòng
trượt.
Về cấu tạo, vịng trượt bao gồm hai loại : Vịng trượt hình đĩa (disk type) có các rãnh
được bố trí trên bề mặt đĩa, và vịng trượt hình trụ (Cylinder type) có các rãnh bố trí

trên bề mặt trụ. Trong hai loại, vịng trượt hình đĩa có cấu trúc gọn và mỏng hơn.
Về phương thức tiếp điện, vòng trượt chia làm hai loại :


Vòng trượt điện áp thấp (Low voltage slipring) : Điện áp nguồn xoay chiều

cung cấp thông qua chổi quét, chổi quét cấp lên vòng trượt và vòng trượt cung cấp

25