Nguyên vật lý và ứng dụng lâm sàng của phương pháp cắt lớp điện toán

I ĐẠI CƯƠNG   Năm 1895 Roengtgen đã tìm ra tia X từ đó về sau có nhiều cải tiến kỹ thuật như chụp cắt lớp qui ước nhưng vẫn còn nhiều hạn chế trong khảo sát và chẩn đoán cơ quan nội tạng. Năm 1972, G.N Hounsfield đã phát minh ra phương pháp chụp cắt lớp điện toán (PPCCLĐT) (Computed tomography scanner) phương pháp này giúp cho chúng khảo sát chi tiết hơn những cấu trúc bên trong cơ thể. Có thể xem đây là một sự  tiến bộ lớn nhất trong kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y khoa. Cho đến đến nay phương này càng phổ biến và kỹ thuật ngày càng được nâng cao. II ĐỊNH NGHĨA  PPCCLĐT là phương pháp dùng một chùm tia X, có độ dày nhất định quay quanh một bộ phận của cơ thể, ở nhiều góc độ khác nhau, theo trục ngang (axial). Phần tia X còn lại sau khi đã được cơ thể hấp thu sẽ được ghi nhận bởi các đầu dò (detectors). Hệ thống này chuyển các dữ liệu đến hệ thống vi tính. Dữ liệu được xử lý bằng các phương trình toán học phức tạp và cho ra hình ảnh. Hình ảnh này được hiển thị trên màn hình, phim  hoặc lưu trữ .  PPCCLĐT giống như X quang qui ước là dùng tia X nhưng khác nhau là:  -Thường chụp theo hướng trục (axial) thay vì theo hướng thẳng và nghiêng.  -Tia X sau khi qua cơ thể được tiếp nhận bằng các đầu dò thay vì trực tiếp ghi nhận trên phim.  -Chùm tia nhỏ nên giảm được lượng tia khuếch tán.  -Độ nhạy cảm của hệ thống đầu dò với tia X rất cao so với phim X quang thường và được xử lý bằng vi tính để tái tạo hình nên có thể cho ta thấy được sự khác biệt độ đậm rất nhỏ mà phương pháp X quang qui ước không có.  Ví dụ: Trong não có thể phân biệt, chất trắng, chất xám, dịch não tủy mạch máu ..v.v. Trong trung thất, bụng có thể phân biệt được cấu trúc mô mềm, mạch máu và các nội tạng khác ..v.v. III CÁC THẾ HỆ  MÁY CCLĐT:  Từ khi ra đời chiếc máy đầu tiên đến nay, đã có rất nhiều tiến bộ về kỹ thuật. Chúng ta có thể tạm chia 4 thế  hệ máy cơ bản.  1-Thế hệ thứ nhất : Vật thể đặt giữa đầu đèn và một đầu dò, chùm tia song song. Đầu đèn có chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Thời gian cho một lớp cắt khoảng 4 –5 phút và chỉ áp dụng cho những vùng không di động như đầu.  2-Thế hệ thứ hai : Giống thế hệ thứ nhất là đầu đèn có hai chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay nhưng chùm tia rẻ quạt (3 –5 độ) và có khoảng 6 –60 đầu dò. Thời gian cho một lớp cắt giảm xuống còn 10 –20 giây.  Hiện nay hai thế hệ này không còn sử dụng nữa.  3-Thế hệ thứ ba : Phổ biến nhất hiện nay có chùm tia rẻ quạt rộng (30 –60 độ) phủ trọn cơ quan khảo sát nên dữ liệu đầy đủ hơn. Thời gian cho một lớp cắt khoảng 1- 4 giây. Ở thế hệ này, đầu đèn và hệ thống đầu dò cùng quay. Có khoảng  400 –800 đầu dò.  4-Thế hệ thứ tư : Chỉ có đầu đèn quay còn hệ thống đầu dò đứng yên. Có nhiều đầu dò hơn ( >1000). Không có sự khác biệt nhiều về tính năng kỹ thuật máy thế hệ 3 và 4. Kỹ thuật CLĐT xoắn ốc (Helical CT)   Nguyên lý cơ bản cũa kỹ thuật CT xoắn ốc là sự thu dữ liệu, đầu đèn quay và  di chuyển  bàn bệnh nhân đều liên tục. Như vậy chùm tia sẽ vạch ra một đường xoắn ốc trên vùng khảo sát, đây là lý do kỹ thuật mang tên xoắn ốc (Helical scan). So với kỹ thuật CT qui ước (Conventional CT), CT xoắn ốc có vài đặc điểm khác biệt và tiện lợi như : (1) Đầu đèn quay và phát tia liên tục (2) Bàn bệnh nhân di chuyển trong lúc đầu đèn quyét (3) Ghi được tín hiệu của một thể tích (4) Thời gian khảo sát rất ngắn (5) Có thể tái tạo và dựng hình đa dạng và chi tiết hơn so với CT qui ước.  Chụp căt lớp siêu nhanh (Ultrafast scanner) :   Máy xử dụng một chùm tia điện tử kích thích một vòng tròn đầu đèn cố định và quét liên tục rất nhanh, thời gian có thể từ  50 – 100 phần ngàn giây. Máy này dùng khảo sát tim, mạch máu và các cơ quan chuyển động nhanh. CT đa lớp cắt (Multislices):   Máy được lắp đặt với nhiều hàng đầu dò (các máy thường có một hàng đầu dò), có khả năng khảo sát đồng thời nhiều lắt cắt (hiện nay 4-32 lát cắt) với thời gian quét nhanh  (<0.5 giây/vòng). Khảo sát tốt trong các trường hợp cần thời gian nhanh (tim-mạch, có bơm cản quang, bộ phận cử động..). IV.NGUYÊN TẮC VẬT LÝ   Nguyên tắc cơ bản của PPCLĐT là : cấu trúc bên trong của vật thể có thể  tái tạo được từ nhiều hình chiếu của vật thể đó. Hình chiếu của vật thể được tạo ra bằng cách quyét một chùm tia X hẹp, qua một lớp cắt ngang vật thể, theo nhiều hướng khác nhau. Lượng tia X đi qua vật thể được đo bằng các đầu dò. Dữ liệu thu nhận từ các đầu dò này sẽ được máy tính xử lý và tái tạo hình ảnh.  Sự tạo dữ liệu:  Dữ liệu được tạo ra bằng cách chiếu vật thể bằng chùm tia X với các hướng khác nhau. Mỗi một hình chiếu sẽ khác nhau và chứa đựng các thông tin khác nhau dùng cho tái tạo hình ảnh. Số lượng các thông tin này lệ thuộc vào các thế hệ máy CLĐT.  Đầu đèn tia X: Các đầu đèn tia X sử dụng hiện nay có anod quay, tiêu điểm nhỏ, khả năng chịu nhiệt và giải nhiệt cao để phù hợp với các kỹ thuật cắt nhanh, khảo sát nhiều lớp cắt.   Bộ chuẩn trực (Collimator): Chùm tia X trong CT được chuẩn trực ở hai điểm. Một cái ở gần đầu đèn để điều chỉnh độ dày lớp cắt (1-15 mm). Cái khác ở bộ phận cảm biến (Detectors) để hạn chế tia thứ cấp.   Đầu dò (Detectors): Có hai loại đầu dò được sử dụng hiện nay. Đó là : Dùng các tinh thể nhấp nháy (Scintillation crystals) và dùng buồng ion hoá khí Xenon  (Xenon gas ionization chambers).  Tái tạo hình ảnh: Vùng cơ thể khảo sát bằng các lát cắt ngang, được phân thành nhiều khối (blocks) nhỏ. Các khối riêng rẽ này gọi là các phần tử  thể tích (voxel). Thành phần và độ dày của nguyên tố thể tích cùng với tính chất chùm tia X sẽ xác định mức độ suy giảm tia X. Hệ số suy giảm tuyến tính (g) thường dùng để định lượng mức độ suy giảm chùm tia X.  Phương trình hấp thụ tia X của các khối vật chất như sau :   I =I0 e- mL   I0  : Cường độ tia ban đầu.  I : Cường độ tia sau khi xuyên qua.  g : Hệ số hấp thu, tùy thuộc vào bậc số nguyên tử và phân tử, thay đổi theo cấu trúc mô khác nhau trong cơ thể.  L    : Độ dày của khối vật chất chùm tia X đi qua. Trong trường hợp một nguyên tố thể tích ( voxel ) ta có phương trình :  I1   = I0 e- m 1 L 1  Trong phương trình này khi biết I, Io, L, e ta sẽ có được hệ số hấp thu g. Nếu số lượng voxel tăng lên, ta có phương trình :  I2   = I2 e- m 2 L 2  = (I0 e- mL1) e- m 2 L 2  …………………………………  In   = I(n-1) e- m n L n  Biết được I0 , I, L ta tính được tổng các hệ số hấp thu của khối vật chất mà tia X đi qua. Trên một lớp cắt tia X quét theo nhiều hướng khác nhau và lớp cắt được chia thành nhiều khối bằng nhau, ta có rất nhiều tổng các hệ số hấp thu m như trên và tính được từng hệ số hấp thu m1, m2 …….mn, nghĩa là ta được bản chất của từng khối vật chất cấu thành lớp cắt đó.  Các dữ liệu hấp thu tia X các khối mô trên lớp cắt được chuyển đến một hệ thống vi tính xữ lý chuyển giá trị số thành giá trị hình tương tự và hình ảnh lớp cắt đó được tái tạo với các độ xám (Gray shadows) khác nhau trên ma trận hình. Tùy thế hệ và cấu hình máy các ma trận này có thể là 256x256, 320x320, 340x340, 512x512, 1024x1024. Sự khác nhau của ma trận ảnh hưởng đến độ nét của hình ảnh. Đơn vị nhỏ nhất của ma trận hình gọi là phần tử hình (pixel). Tùy kích thước của ma trận, độ dày và đường kính của lớp cắt mỗi phân tử hình sẽ biểu thị cho tất cả các thành phần mô tương ứng nghĩa là mỗi phần tử  hình biểu thị một phần tử thể tích của vật.V. TRỊ SỐ ĐẬM ĐỘ  Mỗi phân tử thể tích vật có trị số tương ứng với mức độ hấp thu tia khác nhau sẽ được biểu thị bằng các độ xám khác nhau trên hình.   Với quy ước của máy, đậm độ của nước là 0, đậm độ của khí là –1000 HU (đơn vị Hounsfield (HU)), của xương + 1000 HU, mỡ là –100 HU và trị số đậm độ của các mô, dịch khác trong cơ thể sẽ được tính theo sự tương ứng với các trị số trên.   Đậm độ của các mô Loại mô Trị sổ chuẩn (HU) Trị số giới hạn (HU) Xương đặc > 250 Xương xốp 130 – 100 Tuyến giáp 70 – 10 Gan 65 – 5 45 – 75 Cơ 45 – 5 35 – 50 Lách 45 – 5 40 – 60 Hạch 45 – 10 25 – 55 Tụy tạng 45 – 10 20 –40 Thận 40 –10 ( -80) – (-100) Mỡ - 65 –10    Ngoài các trị số định lượng trên, chúng  ta còn sử dụng giá trị định tính, nó biểu hiện sự khác biệt tương đối giữa các mô xung quanh hay so với trị số của mô bình thường. Có các từ diễn tả đậm độ khi mô tả như sau : giảm đậm độ (hypodense), đồng đậm độ (isodense), tăng đậm độ (hyperdense). Ví dụ : u màng não tăng đậm độ so với mô não chung quanh. Gan nhiễm mỡ giảm đậm độ so với nhu mô gan bình thường. VI .THAY ĐỔI HÌNH ẢNH  Các  trị số đậm độ của các mô khác nhau trong cơ thể thay đổi từ –1000 HU đến  +1000 HU, các trị số này được biểu hiện trên hình bằng các độ xám khác nhau. Tuy nhiên mắt thường của chúng ta chỉ phân biệt được ừ 15 – 20 độ xám khác nhau. Để có thể phân biệt được các cấu trúc khác nhau trên một lớp cắt chúng ta phải thay đổi cách đặt cửa sổ  (Window setting) để có những tương phản giúp mắt thường ta nhận biết được. -Độ rộng cửa sổ (Window width) là khoảng HU giữa giới hạn trên và giới hạn dưới của trị số đậm độ cần khảo sát. Các trị số đậm độ cao hơn  giới hạn trên sẽ có màu trắng trên hình, các trị số đậm độ thấp hơn giới hạn dưới sẽ có màu đen. -Trung tâm cửa sổ ( Window level) là điểm HU nằm giữa độ rộng cửa sổ. Trung tâm cửa sổ được điều chỉnh cho phù hợp với tổ chức mô cần khảo sát.   Với cửa sổ hẹp thì hình ảnh sẽ có tương phản cao. Các sai biệt nhỏ về đậm độ có thể phân biệt được. Nhưng những cấu trúc ngoài giới hạn của cửa sổ sẽ khôngthấy được. Nếu mở cửa sổ rộng thì sự sai biệt nhỏ về đậm độ không thể phân biệt được. Ví dụ : Để khảo sát sọ não chúng ta có thể đặt 2 cửa sổ:  1.Cửa sổ hẹp: Độ rộng cửa sổ 140 HU (từ -40 đến +100 HU), trung tâm cửa sổ +30 HU giúp ta phân biệt được cấu trúc nội sọ như chất xám, chất trắng, dịch não tủy, mạch máu.  2.Cửa sổ rộng : Độ rộng 2000 HU (từ –600 HU đến +1400 HU), trung tâm cửa sổ là +400 HU. Với cửa sổ này ta không phân biệt được chất trắng, chất xám hay dịch não tủy, mà chỉ phân biệt được giữa xương, khí, mô mềm nội sọ  nói chung.  Trường hợp (1) độ rộng cửa sổ là 140 HU. Mắt thường có thể phân biệt được 20 độ xám khác nhau vậy mỗi giai tầng xám là 140 : 20 = 7 HU. Vậy các cấu trúc khác nhau > 7 HU sẽ phân biệt được trên hình (chất trắng, chất xám, dịch não tủy trong nội sọ).  Trường hợp (2) độ rộng cửa sổ là 2000 HU và mỗi giai tầng xám là 2000: 20 = 100HU. Do đó mắt chúng ta chỉ có thể phân biệt được các cấu trúc có sai biệt đậm độ > 100 HU, nên chúng ta không phân biệt được chất trắng, chất xám, dịch não tủy trong nội sọ mà chỉ phân biệt được đậm độ vôi với đậm độ mô mềm hay với đậm độ khí.VII. ỨNG DỤNG LÂM SÀNG  Do khả năng phân biệt được những sai biệt rất nhỏ về đậm độ của mô trong trong cơ thể nên PPCCLĐT có thể cho ta biết chi tiết về giải phẫu học, điều mà các phương pháp trước đây không làm được. Hiện nay PPCCLĐT  có vai trò quan trọng trong chẩn đoán hình ảnh, hướng dẫn phẫu thuật và xạ trị. Trong phẫu thuật phương pháp này không những chỉ cho chẩn đoán trước mổ mà còn giúp cho việc phẫu thuật dễ dàng, chính xác và theo dõi hậu phẫu tốt hơn. Phương pháp này còn tái tạo được hình 3 chiều (3D), cần thiết trong phẫu thuật chỉnh hình, tái tạo cũng như sinh thiết. Trong xạ trị phương pháp này giúp đánh giá giai đoạn tổn thương chính xác. Những thông tin đó giúp ta có định hướng và thay đổi điều trị thích hợp.  CƠ QUAN KHẢO SÁT Chỉ định CT CƠ QUAN KHẢO SÁT Chỉ định CT SỌ NÃO LÁCH, TỤY TẠNG -Bệnh lý bẩm sinh +++ -U, kén +++ -Chấn thương ++++ -Chấn thương nhiễm trùng +++ -Nhiễm trùng +++ THẬN -U (Nguyên phát, di căn) ++++ -U, kén, chấn thương ++++ -Bệnh lý mạch máu ++ -Bệnh lý bẩm sinh +++ -Bệnh lý thoái hóa ++ THƯỢNG THẬN ++++ MẮT, TAI- MŨI –HỌNG SAU PHÚC MẠC -Nhiễm trùng,chấn thương ++ -U, nhiễm trùng, mạch máu ++++ -U +++ TRONG PHÚC MẠC TRUNG THẤT -Abcès, dịch, u ++ -U, hạch ++++ CỘT SỐNG -Bất thường mạch máu ++ -Chấn thương, đĩa đệm +++ PHỔI THÀNH NGỰC -U ++ -U, nhiễm trùng ++ -Bệnh lý quanh cột sống +++ GAN, MẬT HỆ CƠ XƯƠNG -U (nguyên phát, di căn) ++++ -U xuơng +++ -Chấn thương nhiễm trùng +++ -U phần mềm +++ -Bệnh lý thoái hóa, sỏi ++ -Khớp + Sưu tầm: PGS.TS Phạm Ngọc Hoa