Chụp cắt lớp tia X
Ởthờiđại kỹthuật số, người ta đã tạo ra các kiểu chụpảnh không cần
ánh sáng, không cần phim, chủyếu là tự động điều khiểnđo, xửlý bằng máy
tính. Đặc biệt trong y học, các phép chụpảnh phổbiến hiện nay như: Chụp
cắt lớp tia X, chụp cộng hưởng từ(MRI), chụp siêu âm thường và siêu âm
Doppler… là những cách chụpảnh kỹthuật sốtiêu biểu.
Dướiđây, chúng ta sẽtìm hiểu vềnguyên tắc và ứng dụng của chụp cắt lớp
tia X.
Chụp X quang thông thường - Bướcđột phá đã hơn 100 năm
Năm 1895, nhà vật lý nổi tiếng ngườiĐức Rontgen
công bố đã tìm thấy một loại tia (chưa biết là tia gì nên gọi là
tia X) có nhiều tính năng kỳlạ,đặc biệt nhất là nó xuyên qua
được nhiều vật mà ánh sáng không xuyên qua được.
Trong công bố đó, Rontgen đã đưa ra một bứcảnh đầyấn
tượng chụp chính bàn tay của vợmình, phần da thịt thì hầu
nhưtrong suốt, còn các đốt xương hiện rõ, mầuđen đậm,
đặc biệt thấy cảhình dạng của chiếc nhẫn vàng đeo ởngón
tay.
Bứcảnh làm chấnđộng cảthếgiới lúc bấy giờvì đó là
lầnđầu tiên con người tìm ra cách nhìn thấyđược các bộphận (xương) bên trong
mà cơthểvẫn nguyên vẹn, người vẫn sống bình thường.
Phương pháp chụp X quang phát triển từ đó và cho đến nay, đây vẫn là một
phương pháp không thểthiếu trong chẩnđoán y học, bệnh viện nào cũng có phòng
X quang.
Tuy nhiên, với nguyên tắc chụp X quang thông thường, ta thấy thông tin từ
ảnh X quang có nhiều hạn chế. Ví du,ï chiếu chùm tia X qua bàn tay và đặt
tấm phim dưới bàn tay. Có thểhình dung chùm tia X gồm nhiều tia rất mảnh, mỗi
tia đi thẳng xuyên qua bàn tay và đến phim, tác dụng vào mộtđiểm trên tấm phim.
Nếu tia đó đi qua bàn tay ởchỗchỉcó da, thịt thì tia đó còn mạnh (cường độ lớn),
tác dụng mạnh lên phim, điểm tương ứng trên phim đen đậm. Nếu tia đó đi qua
bàn tay chỗcó xương, vì xương có mậtđộ vật chất (khối lượng riêng, tỷtrọng) lớn,
hấp thụmạnh tia X, nên khi ra khỏi bàn tay, tia đó bịyếu, tác dụng yếu lên phim,
điểm tương ứng trên phim nhạt. Nhưvậy, những chỗ đậm, nhạt trên phim là do
đoạnđường tương ứng xuyên qua bàn tay hấp thụít hay nhiều tia X. Nói cách khác,
nhìn những chỗ đen, trắng trên phim, ta chỉsuy ra được mậtđộ vật chất trung bình
dọc theo đoạnđường mà tia X đã đi qua. Ảnh có được là ảnh haichiều, nhìn vếtđen
củađốt xương ngón tay trên phim ta phán đoán đượcđốt xương có cân đốiởgiữa
ngón tay hay không; còn cao hay thấp, cong lên hay cong xuống thì không biết
được. Nhiều trường hợp phải chụp hai, ba kiểuảnh theo các hướng khác nhau mới
xác định được vịtrí một chi tiết trên ảnh.
Chụp cắt lớp tia X
Nhận thấy những hạn
chếcủa cách chụp X
quang
thông thường, hai nhà
khoa
học là A.M.Cormack v
à
G.N.Hounsfield (giải Nobel
Y
học năm 1979) đã tìm cá
ch
chụpảnh tia X sao cho đ
o
được không chỉø mậtđộ vậ
t
chất trung bình theo đường đ
xuyên qua vật mà là cảmật
độ
vật chấtởtừng thểtích nhỏc
ỡ
milimet khối (mm3) của vật, gọi là thểtích phần tử(volume element hay
voxel).
Nếulàm được nhưvậy thì bằng cách vẽnhững thểtích phần tử đó nằm theo mộ
t
mặt cắt (một lớp cắt có bềdày khoảng 1 mm), rồi căn cứvào mậtđộ vật chấtđ
o
được, tô màu cho từng thểtích phần tửsẽcó đượcảnh cắt lớp. Ví dụ, phần tửth
ể
tích nào có (đođược) mậtđộ vật chất lớn, ta tô màu đen đậm; phần tửthểtích nà
o
có mậtđộ vật chất nhỏ, tô màu đen nhạt, từ đó sẽcó đượcảnh cắt lớpđen trắ
ng.
Nếu vẽ được trong không gian lần lượt các ảnh cắt lớpđó, sẽcó đượcảnh ba chiề
u
của vật. Nhưng làm thếnào đođược mậtđộ vật chấtởtừng thểtích phần tửcủ
a
vật?
Vềnguyên tắc, người ta chiếu vào vật cần nghiên cứu, ví dụ đầu người, mộ
t
tia X thật mảnh theo một hướng nhấtđịnh, rồi bốtrí đêtectơ để đo, biếtđược tia
X
chiếu theo hướng đó bịhấp thụmạnh/yếu nhưthếnào, tức là biếtđược mậtđộ vậ
t
chất tổng cộng của các thểtích phần tửnằm dọc theo một hướng. Người ta lần lượ
t
thay đổi hướng chiếu, nói cách khác là quét tia X theo những hướng khác nhau,
để
lần lượt thu được mậtđộ vật chất tổng cộng của các thểtích phần tửnằm dọc
theo
những hướng khác nhau đó. Từnhững sốliệu thu được, người ta tính toán ra mậ
t
độ vật chất của từng thểtích phần tử. Muốn vậy, phải xây dựng những thuật toá
n
phức tạp, phải thực hiện một khối lượng tính toán rất lớn, phải dùng máy tính tố
c
độ cao mới thực hiện nhanh được. Vì thế, người ta đặt tên là phép chụpảnh cắt lớ
p
có sựtrợgiúp của máy tính, gọi tắt là CT (computer aided tomography
hay
computed tomography).
Ởgiai đoạnđầu, muốn có
được mộtảnh cắt lớp phải xoay
ống phát tia X và đêtectơtrong 9
ngày để làm 28.000 phép đo lấy
sốliệu nhập vào máy tính, tính
trong hai tiếng rưỡi mới có được
mộtảnh cắt lớp hiện lên màn
hình CRT và phải dùng máy ảnh
phim để chụp lạiảnh hiện trên
màn hình. Ngày nay, để chụpảnh
CT, người ta bốtrí đồng thời
nhiềuống phát tia X, nhiều
đêtectơbán dẫn vây kín cảmột
vòng quanh chỗcần chụp, chỉ
trong 2 giây đã thu được sốliệu
để tính ra mậtđộ vật chất của khoảng 2 triệu thểtích phần tử, kích thướ
c
mỗi chiều của một thểtích phần tửcó thểnhỏ đến 0,3 mm, máy tính nhỏkèm
theo
có thểtính rất nhanh kết quả để hiệnảnh lên gần nhưtức thời. Còn màu sắc có th
ể
chọn tuỳýđể hình ảnh hiện lên vừa rõ ràng, vừa gần với thực tế. Ví du, chụpđầ
u
thì nơi nào có mậtđộ vật chấtứng với xương sẽgán cho màu trắng, ứng với má
u
cho màu đỏ,ứng với não cho màu xám… Nhưvậy, qua cách chụpảnh CT tia X,
ta
thấy quy trình của một phép chụpảnh kỹthuật sốlà: 1) Chia vật cần chụpảnh
ra
thành từng thểtích nhỏ, gọi là thểtích phần tử(tưởng tượng theo toán học). Vịtr
í
mỗi thểtích phần tử được xác định bởi các toạ độ xi,yj, zk; 2) Tiến hành các phé
p
đođể xác định đặcđiểm của từng thểtích phần tử. Ví du, đối với trường hợp chụ
p
ảnh CT tia X xác định mậtđộ vật chất x của phần tửthểtích đó (tỷlệvớiđộ hấp thụ
tia X). Nói cách khác, ởtrường hợp CT tia X, thu thập tất cảsốliệu xijk đối với thể
tích phần tửcó vịtrí xi,yj, zk; 3) Vẽtrong không gian các thểtích phần tửcó các vị
trí xi,yj, zk và theo xijk tô màu cho các phần tửthểtích.
Vẽtrong không gian rất khó, để có được hình ảnh trong mặt phẳng thường
phải vẽtừng lớp. Ví dụ, vẽlớp cắtứng với việc cắt vật một lát theo zk, lúc đó lấy tất
cảcác sốliệu vềmậtđộ vật chấtứng với các thểtích phần tửcó xi và yj khác nhau
nhưng cùng một zk, ta có được hình ảnh một lát cắt với zk. Ví dụchụp CT tia X đầu
người, chọn trục z theo hướng từcổlên đỉnh đầu và zk là toạ độ ngang với hai mắt,
vẽra ta có ảnh cắt một lớp ngang qua mắt củađầu. Ta thấy, rõ ràng là chỉcó máy
tính mới trợgiúp được cách chụpảnh này, đúng theo nghĩa của hai chữCT.