Chụp ảnh 3D trong y tế

Khi nói về phim ảnh 3D, người ta chú ý đến làm thế nào để người xem lúc mang kính đặc biệt vào nhìn lên màn ảnh thì thấy ảnh nổi thật sự, tức là mắt nhìn thấy cảnh vật đầy đủ cả ba chiều trong không gian như khi nhìn thấy cảnh vật thật. Nhưng khi mắt ta nhìn cảnh vật thật, tuy thấy cả ba chiều nhưng chỉ nhìn thấy bề ngoài, những điểm trên bề mặt mới phản xạ được ánh sáng để chiếu vào mắt tạo ra ảnh trên võng mạc.

Yêu cầu về “thấy” trong y tế có khác. Cách đây hơn 100 năm, W.C.Rơnghen phát hiện ra tia X có tính chất đi xuyên qua nhiều lớp vật chất mà ánh sáng thông thường không xuyên qua được nên đã sáng tạo ra cách chụp ảnh tia X mà tấm ảnh đầu tiên công bố là tấm ảnh chụp bàn tay đeo nhẫn của vợ ông (hình 1). Ảnh chụp theo nguyên tắc để bàn tay lên trên tấm phim và chiếu tia X qua bàn tay. Chỗ nào tia X dễ đi như da, thịt thì tia X xuyên qua mạnh, phim ảnh bị tác dụng mạnh. Chỗ nào trong bàn tay có xương chẳng hạn tia X đi qua khó hơn, phim ảnh ít bị tác dụng. Đặc biệt là ở chỗ chiếc nhãn đêo ở ngón tay, vì bằng vàng có khối lượng riêng (hay mật độ khối lượng) lớn, tia X hầu như không đi qua được, phim ảnh ở chỗ đó không bị tác dụng. Khi rửa phim, trên phim thấy có hình dáng bàn tay, các ngón tay phía ngoài thì đen đậm, giữa thấy rõ các đốt xương trong suốt hơn còn chiếc nhẫn thì hoàn toàn trong suốt. Đây là âm bản, nếu đem in ra giấy ảnh thì sẽ có dương bản các đốt xương đen đậm, chiếc nhẫn lại còn đen hơn. Cách dùng tia X để chụp ảnh cơ thể theo kiểu nói trên là một bước tiến rất lớn, nhờ đó trong y học xuất hiện một nghành mới là chẩn đoán bệnh bằng hình ảnh; dần dần hầu như bệnh viện lớn nào cũng có trang bị máy chụp X.quang.

Tuy nhiên với cách chụp ảnh này ta chỉ có được hình ảnh hai chiều (2D). Thí dụ một chiến sĩ ra trận bị thương, một viên đạn nhỏ vẫn còn bị giữ lại trong cơ thể chưa xác định cụ thể ở đâu. Nếu để bệnh nhân nằm ngửa, chiếu tia X từ trên xuống, đặt tấm phim ở dưới lưng để chụp ảnh, nhìn phim có thể thấy viên đạn, rất dễ xác định được vị trí của viên đạn ở đâu theo hai chiều x và y trên tấm phim còn chiếu đối với z là chiều chiếu tia X thì không xác định được: Viên đạn ở cao gần bụng hay ở thấp gần lưng ở ảnh thấy như nhau. Muốn xác định được viên đạn ở cao hay thấp phải tiến hành chiếu tia X và đặt phim ảnh ở một số hướng khác nữa. Cách chụp thêm một số hướng để xác định thêm được chiều thứ ba là rất thủ công, chỉ cho phép thực hiện được trong một số trường hợp đơn giản: xác định được viên đạn ở đâu, xương gãy hay bị nứt thế nào, trẻ em nuốt dị vật vào đang mắc lại ở đoạn nào v.v…

Năm 1972 phương pháp mới chụp ảnh tia X thấy được cả ba chiều các bộ phận bên trong cơ thể ra đời. Tác giả của phương pháp mới là A.M Cormack và G.N. Hounsfields đã được tặng giải Nobel Y học năm 1979. Phương pháp này có tên là chụp ảnh cắt lớp điện toán (Computerized Tomography) gọi tắt là CT.

Nguyên tắc của phương pháp chụp CT như sau: Chiếu tia X mảnh đi qua cơ thể thí dụ người đứng thẳng tia X chiếu ngang. Sau khi xuyên qua cơ thể, tia X đi vào đầu thu để đo cường độ tia X đã yếu đi (suy giảm) do bị hấp thụ trên đường xuyên qua cơ thể. Tuy là mảnh nhưng tia X phải có một tiết diện nhất định và nếu chia đường đi qua cơ thể ra thành những đoạn nhỏ, có thể xem tia X đã đi qua những phần tử nhỏ của thể tích của cơ thể voxel (volume element), mỗi phần tử có thể tích xyz ở vị trí x­ _iy _jz _kvà mật độ khối ở đó là (x­ _i.y _j.z _k). Tùy theo trên đường đi, tia X gặp nhiều hay ít phần tử thể tích có mật độ khối lớn hay bé mà tia X đến đầu thu bị suy giảm nhiều hay ít, và đầu thu ghi lại được sự suy giảm đó.

Nếu quay nguồn phát tia X và đầu thu một vòng quanh cơ thể thì tia X lần lượt đi qua tất cả các phần tử thể tích nằm trong một lớp cắt ngang qua cơ thể. Đầu thu ghi được tập hợp các độ suy giảm của tia X theo tất cả các phương tương ứng của tia X chiếu ngang qua một lớp của cơ thể. Công lao to lớn nhất của các tác giả phương pháp được giải Nobel này là tìm được thuật toán từ tập hợp các độ suy giảm của tia X theo phương, tính ra được tất cả các mật độ (x _i.y _j.z _k) của phần tử thể tích ở các vị trí (x­ _iy _jz _k) của cùng một lớp (cùng z _k). Khi dùng máy tính vẽ ra các phần tử thể tích của một lớp rồi căn cứ theo mật độ ứng với từng phần tử, thí dụ cao tô đậm, thấp tô nhạt ta sẽ có ảnh đen trắng của một lớp. Do đó người ta gọi là ảnh cắt lớp. ảnh này cho thấy phân bố mật độ khối trong một lớp, thực tế đó là ảnh cắt ngang của các bộ phận bên trong cơ thể vì mỗi bộ phận có mật độ khối nhất định như xương có mật độ khối cao hơn là thịt, mật độ khối của máu khác mật độ khối của mỡ v.v…

Như vậy cứ quay máy phát và đầu thu tia X một vòng là có thể thu được dữ liệu để từ đó tính toán tạo ra được ảnh của một lớp cắt. Lần lượt dịch chuyển máy phát và đầu thu lên cao hay xuống thấp từng bước một, cứ mỗi bước thực hiện một vòng một lần, ta có được dữ liệu để tạo ra ảnh của nhiều lớp trong không gian. Như vậy là ta đã chụp được ảnh trong không gian (chụp ảnh 3D) của các bộ phận bên trong cơ thể. Tuy nhiên từ đó ta chỉ có thể tạo ra ảnh của từng lớp cắt mà ảnh của từng lớp cắt là ảnh hai chiều (2D). Tạm thời xem một chuỗi các ảnh hai chiều (2D) là ảnh 3 chiều (hình 3).

Trong thực tiễn nếu chỉ có một tia X mảnh và một đầu thu thì quá trình chụp ảnh lấy số liệu quá lâu. Vì vậy ở máy tia X dùng để chụp cắt lớp, mỗi nguồn phát tia X phát ra chùm tia X hình rẻ quạt và nhiều đầu thu ghép lại thành một vòng cung sao cho có thể xem tia X từ nguồn qua cơ thể lọt vào đầu thu là một chùm tia X mảnh. Nếu vòng cung có N đầu thu thì ở mỗi vị trí của ống phát và vòng cung có N đầu thu tương đương với N chùm tia X mảnh hoạt động đồng thời.

Những máy tia X chụp CT hiện nay có nhiều nguồn tia X và hàng trăm đến hàng nghìn đầu thu nhỏ làm thành một vòng tròn. Bệnh nhân được nằm trên một giường đặc biệt, có thể điều khiển cho phần nào đó của cơ thể (đầu, ngực, bụng…chẳng hạn) ở vào vị trí có tia X chiếu và dịch chuyển từng bước nhỏ để chụp được nhiều lớp (hình 4). Với bộ dữ liệu (x­ _iy _jz _k) ứng với vị trí (x­ _iy _jz _k) tính ra được, máy tính có thể tạo ra ảnh cắt lớp theo chiều dọc hoặc chiều ngang tùy ý. Thí dụ chụp ảnh cắt lớp ở đầu có thể điều khiển để có được ảnh cắt lớp ngang qua đầu hoặc dọc theo đầu tùy theo yêu cầu của bác sỹ.

Tóm lại cách chụp ảnh 3D thông dụng trong y tế hiện nay là:

- Tưởng tượng chia cơ thể ra thành từng phần tử thể tích nhỏ với vị trí của mỗi phần tử xác định là x­ _iy _jz _k (thực tế là dùng hệ tọa độ khác thuận lợi hơn)

- Bố trí thực nghiệm để làm sao cuối cùng suy ra được mật độ khối (x­ _i.y _j.z _k) của chất cấu tạo nên cơ thể ở từng phần tử thể tích (x­ _iy _jz _k) (trong bài này đó là cách đo suy giảm của tia X rồi dùng thuật toán để tính ra).

Bộ các số liệu mật độ (x­ _i.y _j.z _k) phụ thuộc vị trí x­ _I y _j z _klà “ảnh 3D chụp được”

- Từ ảnh 3D chụp được không thể tạo ra ảnh 3D mà chỉ có thể tạo ra ảnh 2D của từng lớp. Tập hợp các ảnh 2D của nhiều lớp cho ta thông tin về chiều thứ ba.

Trong những kỳ sau ta sẽ tìm hiểu một số cách chụp ảnh 3D khác trong y tế như cộng hưởng từ, PET, siêu âm và tìm hiểu cách từ số liệu ảnh 3D chụp được tạo ra ảnh 3D thực sự.