Phương pháp chụp x quang cắt lớp - vi tính

Radon (Đức) năm 1917 đã đặt cơ sở lý thuyết đầu tiên cho phương pháp toán học nhằm tái tạo cấu trúc của một vật thể 3 chiều trong không gian dựa trên số vô tận các hình chiếu của vật thể đó.

Bracewell (úc) năm 1956 lần đầu tiên áp dụng lý thuyết này trong quang phổ.

Cormack năm 1963 đã thành công trong việc tái tạo trên ảnh cấu trúc của một số vật thể hình học đơn giản nhờ một nguồn bức xạ của cô ban 60.

Hounsfield năm 1967 đã thiết kế được một thiết bị dùng tia X để đo những vật thể thí nghiệm làm bằng các chất nhân tạo và lập được chương trình do máy tính để ghi nhớ và tổng hợp kết quả.

Ngày 01/10/1971 Houns field cùng Ambrose (Anh) cho ra đời chiếc máy chụp CL-VT sọ não đầu tiên - Thời gian chụp và tính toán cho một quang học lúc này cần 2 ngày.

Năm 1974 Ledley (Mỹ) hoàn thành chiếc máy chụp CL - VT toàn thân đầu tiên.

"Whole body CT Scanner ACTA" - Thời gian chụp một quang ảnh vài phút vẫn chưa thuận tiện cho việc ứng dụng trong lâm sàng.

Cho tới năm 1977 mới có loại máy chụp CT-VT với thời gian chụp một quang ảnh 20, trên thị trường thế giới, loại máy này còn mang tên máy chụp CT-VT thế hệ 1. Hiện nay đã có máy chụp thế hệ 4 với thời gian 1 sec và máy cực nhanh có thể chụp 0,1 sec hoặc chụp xine CT-VT dùng trong chẩn đoán tim mạch.

 Chụp X quang cắt lớp quy ước đã có từ 30 năm nay, dựa trên nguyên tắc là làm rõ các tạng ở một mặt phẳng định trước và xóa đi hình chiếu của các mặt phẳng khác trên quang ảnh đó. Phương pháp này cho phép phân biệt sự chênh lệch tỷ trọng của cấu trúc trên cùng một mặt phẳng cao nhất là 5%.

Dựa vào lý thuyết về tái tạo ảnh cấu trúc của một vật thể 3 chiều. Hounsfield thiết kế một máy chụp CT-VT gồm một hệ thống phát xạ QTX và những đầu dò đặt đối diện với bóng x quang. Hệ thống này quay quanh một đường tròn của một mặt phẳng vuông gốc với trục cơ thể (hình là).

Chùm tia đi qua một cửa sổ hẹp (vài milimét) qua cơ thể bị hấp thụ một phần, phần còn lại sẽ được đầu dò ghi lại. Kết quả ghi được ở được rất nhiều vị tríư khác nhau của bóng X quang (cũng có nghĩa là nhiều hình chiếu của một lớp cắt cơ thể) sẽ được chuyển vào bộ mhớ của một máy vi tính để phân tích. Phương pháp này cho phép phân biệt các cấu trúc cơ thể trên cùng một mặt phẳng có độ chênh lệch tỷ trọng 0,5%.

Hình 1b vẽ một vật thể hình vuông gồm 8 x8 đơn vị thể tích. Nếu cho một nguồn QTX I⁰ chiếu qua từ 2 hướng, ta sẽ có kết quả thu được ở 2 phía đối diện từ I^x1 đến I^x8 và I^y1đến I^y8. Hai nhóm kết quả này không đủ để tính ra được  trị số hấp thụ QTX của từng đơn vị thể tích của vật thể nói trên. Muốn có 8 x8 = 64 trị giá hấp thụ của 64 đơn vị thể tích đó cần có ít nhất 64 lần đo có nghĩa là 64 lần phát tia X và 64 nhóm kết quả ghi lại. Trong hệ thống máy chụp CL - VL số lần đo quyết định số đơn vị thể tích của một lớp cắt và như vậy một lớp cắt càng chia ra nhiều đơn vị thể tích bao nhiêu thì ảnh của nó càng có độ phân giải trong không gian cao bấy nhiêu. Số đơn vị thể tích của một lớp cắt trong toán học gọi là ma trận (Matrix).

Máy chụp CL - VT có nhiều loại ma trận: 252 x252; 340x340; 512x512 và 1024x1024. Máy thế hệ 4 có ma trận 1024x1024 tức là một lớp cắt chia ra 1.048.575 đơn vị thể tích.

Về mặt  kỹ thuật cho đến nay đã hình thành 4 thế hệ máy dựa trên 4 nguyên tắc kỹ thuật, về phát tia X và ghi kết quả khác nhau.

Máy chụp có một đầu dò (Delector), ứng dụng nguyên tắc quay và tịnh tiến. Chùm QTX cực nhỏ chiếu qua cơ thể tới 1 đầu dò để thu nhận kết quả. Bóng QTX phải quay quanh cơ thể 180⁰. Khi quay được 1⁰ thì lại quét ngang cơ thể và phát tia để đo. Một quang ảnh phải mất vài phút.

Máy chụp có nhiều đầu dò, quay + tịnh tiến:

Chùm QTX có góc mở rộng khoảng 10⁰ đối diện với một nhóm từ 5 - 50 đầu dò. Máy cũng hoạt động theo nguyên tắc quay + tinh tiến như trên nhưng do chùm QTX rộng hơn nên giảm được số lần quét ngang. Thời gian chụp 1 quang ảnh từ 6 - 20 sec.

Máy chụp có nhiều đầu dò dùng nguyên tắc quay đơn thuần chùm QTX có gốc mở rộng hơn, trùm hết phần cơ thể cần chụp 200 - 600 đầu dò ghép thành một cung đối diện với bóng x quang. Bóng QTX vừa phát tia, dãy đầu dò quay cùng chiều với bóng và ghi kết quả. Thời gian chụp một quang ảnh từ 1 - 4 sec: độ dầy lớp cắt đạt tới 2mm.

Máy chụp có hệ thống dò tĩnh, giá cố định vào 360⁰ của đường tròn, số lượng đầu dò có thể lên đến 1000. Bóng QTX quay quanh trục cơ thể để phát tia. Thời gian chụp 1 quang ảnh có thể đạt tới dưới 1 sec rất thuận lợi cho khám xét các tạng có chuyển động.

Một lớp cắt chia đơn vị ra nhiều thể tích - hình 3a về số đơn vị thể tích của nửa lớp cắt, trong đó a = b là cạnh vuông đáy của một đơn vị thể tích thường từ 0,5 - 2mm, d là độ dày của lớp cắt đồng thời là chiều cao của đơn vị thể tích (từ 1mm đến 10mm). Mỗi đơn vị thể tích sẽ hiện lên ảnh như một điểm nhỏ, tổng các điểm họp thành 1 quang ảnh (Volume element____picture element). Dựa vào độ hấp thụ tia X của từng đơn vị thể tích, máy tính sẽ tính ra tỷ trọng trung bình của mỗi đơn vị thể tích và ghi nhớ lại. Cấu trúc hấp thụ càng nhiều tia X thì tỷ trọng càng cao. Vì vậy người ta còn lại là phương pháp chụp CL-VT là chụp cắt lớp do tỷ trọng (tomodensitométrie) - Dựa vào hệ thống suy giảm tuyến tính của chùm QTX (#) người ta tính ra tỷ trọng của cấu trúc theo đơn vị Hounsfield qua công thức:

N(h): Trị số tỷ trọng tính bằng đơn vị Hounsfield của cấu trúc X: m (x): hệ số suy giảm tuyến tính của QTX khi qua đơn vị thể tích X

H₂0: Nước tinh khiết

K: Hệ tố 1000 theo Hounsfield đưa ra và đã được chấp nhận

Theo công thức trên, nếu X là:

- Nước (h₂0) có trọng khối 1,000 g/cm³ = 0 đơn vị H.

- Không khí có trọng khối 0,003 g/cm³ = -1000 đơn vị H/ - Xương đặc có trọng khối 1,700/cm³ = + 1700 đơn vị H

Để phân tích được những số đo của các cấu trúc cơ thể trên một lớp cắt cần biến chúng thành ảnh. Vì mắt thường chỉ phân biệt được dưới 20 bậc thang xám từ đen đến trắng nên ảnh chup0j CL - VT có 14 - 16 bậc xám khác nhau. Như vậy ảnh CL - VT không phài là ảnh của tia X mà là ảnh tạo lại từ bộ nhớ của máy tính, vì vậy phương pháp chụp CL - VT còn có tên gọi là chụp cắt lớp tái tạo ảnh. (Tomographic par reconstruction).

Giải số đo Hounsfield có từ -1000 lên đến + 2000 máy cho phép mở cửa số ở bất kỳ khu vực nào của giải Hounsfield để chuyển các số đo ra ảnh. Muốn phân tích thật chi tiết của các cấu trúc, cần thu hẹp cửa sổ để cho dễ nhìn thấy sự chênh lệch tỷ trọng bên trong. Muốn nhìn toàn cục từ xương đến phần mềm cần mở rộng cửa sổ. Điểm giữa của cửa sổ thường đặt vào số đo trung bình của cấu trúc bình thường mà ta cần khám xét; thí dụ não: 35, gan 50, phổi -700, xương 200 - Hình 4 vẽ sơ đồ mở cửa sổ trên giải Hounsfield và các số đo trung bình của một số cấu trúc trong cơ thể.

Mỗi ảnh chụp Hounsfield đều có ghi cửa sổ theo ký hiệu sau:

W (width): Độ rộng của cửa sổ

L (level): Mức giữa của cửa sổ (có máy thay chữ L bằng chữ C: Center)

Hình 3a: Ma trận một lớp cắt gồm nhiều đơn vị thể tích

a,b cạnh của đáy vuông một đơn vị thể tích

d: Chiều cao của đơn vị thể tích - chiều dày lớp cắt.

Hình 5. Hệ quả mành thể tích

Giới hạn thực của vùng chênh lệch tỷ trọng bị biến dạng do ma trận

----------------------------

a. Hệ quả của mảnh thể tích (Partial volume effect). Như đã nói trên ảnh chụp CL - VT là sự thể hiện số đo trung bình của các đơn vị thể tích qua bậc thang xám; vì vậy giới hạn của các vùng có tỷ trọng khác nhau sẽ không hoàn toàn trung hợp với thực tế mà sẽ bị biến đổi một phần do giới hạn bị biến dạng theo các đơn vị thể tích (hình 5). Hệ quả này được khắc phục dần ở các thế hệ máy 3, 4 do số lượng của ma trận lớp cắt tăng lên cũng có nghĩa là đơn vị thể tích và đơn vị ảnh thu nhỏ lại.

b. Các những nhân tạo (artefact)

Những nguyên nhân sau đây có thể tạo nên những hình giả trên ảnh.

- Điện thế qua bóng QTX không thích hợp với độ dầy cơ thể. Phần cơ thể cần chụp có chuyển động lúc lúc mày quét.

- Dị vật kim loại hoặc chất cản quang cơ thể, trong quần áo bệnh nhân.

Những nhiễu nhân tạo trên ảnh sẽ làm cho ảnh không có giá trị chẩn đoán.

Hầu hết các khám xét CLVT đều bắt đầu bằng chụp không có thuốc cản quang. Dựa vào các dấu hiệu lâm sàng, X quang và siêu âm... để chọn vùng đưa vào chụp CL - VT. Tất cả các lớp cắt vi tính đều vuông góc với trục chính cơ thể trừ sọ não có thể cắt theo mặt phẳng chính diện nếu cần thiết. Độ dày của lớp cắt thường dùng là 10mm với bước chuyển (step). Đối với nền sọ, hố yên, xương đá, thượng thận phải dùng lớp cắt mỏng hơn: 2 hoặc 5 mm. Có thể dùng bước chuyển nhỏ hơn độ dày của lớp cắt để không bỏ lọt bất thường ở nơi tiếp giáp giữa hai lớp.

Tái hiện ảnh ở những mặt phẳng khác (Reformating). Sau khi đã có kết quả của những lớp cắt trong bộ nhớ, ta có thể dựng lại ảnh theo những mặt phẳng do thầy thuốc tự chọn thí dụ cắt lớp nghiêng, cắt lớp chính diện, chếch...

Hiện ảnh theo không gian 3 chiều: Những ảnh sản xuất gần đây thường cho ghép chương trình này. Có thể yêu cầu máy ảnh 3 chiều với những khoang mở tự chọn (Tridimansinaldisplay), các ảnh này đặc biệt quý cho các phẫu thuật viên sọ não.

a) Đánh giá cấu trúc trên các lớp cắt thường là gọi ra số đo trung bình theo tỷ trọng Hounsfield để nhận xét. Dựa vào số đo trung bình của mô lành ta có 3 loại cấu trúc dựa theo tỷ trọng.

Tăng tỷ trọng hoặc tăng đậm độ (hyperdense): Vùng cần đo có số đo cao hơn mô lành của cùng cá nhân đó.

Giảm tỷ trọng hoặc giảm đậm độ (hyperdense): Kết quả thấp hơn mô lành của cùng tạng, cùng người.

Cùng tỷ trọng hoặc cùng đậm độ (Insodense): Kết quả ghi được tương tự như mô lành của tạng đó trên cùng người đó.

Đối với các ổ bất thường tăng hoặc giảm tỷ trọng, nếu nắm vững cơ thể học cắt lớp ngang ta có thể nhận biết không khó khăn nhưng việc nhận biết các ổ lạ thuộc cùng tỷ trọng nhiều khi rất phức tạp: phải dựa vào các dấu hiệu gián tiếp và thường phải nhờ sự trợ giúp của thuốc cản quang.

b) Những biến đổi chính về bệnh học hình thái:

các cấu trúc trong cơ thể sống không thể xem xét như một vật thể có độ lớn tĩnh được. Chúng phản ứng lại với các tác nhân như chấn thương, nhiễm trùng, sinh u và biến đổi chuyển hóa bằng những cách khác nhau. Những biến đổi này có thể thấy được một phần trên ảnh chụp CL-VT.

- Dịch trong kén, dịch viêm, dịch thấm:

Trong cơ thể có thể gặp kén ở nhiều tạng. Dịch trong khoang kín của kén có tỷ trọng gần với nước (H₂0). Tỷ trọng này phụ thuộc nhiều nhất vào lượng Protêin trong dịch. Dịch kén là một khoang vô mạch nên tỷ trọng sẽ không đổi nếu ta đưa thuốc cản quang vào mạch máu.

Dịch tiết hay dịch viêm có lượng Anbumin trên 30g/lít co thể đạt tỷ trọng 20 - 30 đơn vị H.

Dịch thấm ít Anbumin hơn, tỷ trọng gần với nước.

- Máu - ổ máu tụ.

Tỷ trọng của máu phụ thuộc nhiều nhất vào lượng Anbumin của các phần tử hữu hình, nếu lấy hết các phần tử hữu hình đi, tỷ trọng của máu sẽ giảm từ 55 đơn vị H xuống 15 - 20 đơn vị.

Máu cục trong ổ máu tụ có tỷ trọng cao hơn hẳn máu tuần hoàn. Quá trình tiêu ổ máu tụ: Tiêu sợi huyết và các phẩn tử hữu hình cũng như hiện tượng cơ thể hấp thụ lại anbumin của ổ máu tụ làm cho tỷ trọng máu tụ giảm dần: hiện tượng tăng tỷ trọng tồn tại chỉ đến ngày thứ 7 sau chảy máu. Sau đó tỷ trọng trở nên cân bằng với tổ chức hạt phần mềm và sau hơn 2 tuần tỷ trọng có thể thấp hơn phần mềm. Tại các ổ máu tụ lớn có thể hình thành một bao do tổ chức tạo thành, tỷ trọng giảm dần theo sự giảm dần theo sự giảm anbumin trong bao và cuối cùng ta có thể có một kén dịch.

Giai đoạn tăng tỷ trọng của ổ máu tụ rất quý trong chẩn đoán vì nó rất đặc hiệu. Bỏ qua  tuần lễ đầu, chẩn đoán sẽ khó khăn hơn nhiều vì phải loại trừ những quá trình khác có tỷ trọng tương tự.

- áp xe hóa

Quá trình viêm không hồi phục dẫn đến sự hình thành ổ áp xe. Tổ chức hoại tử, dịch viêm và các bạch cầu chết là thành phần chính của mủ. Trường hợp điều trị tốt, một ổ áp xe vô trùng sau điều trị sẽ tự tiêu và trên ảnh chụp CL-VT sẽ thấy kén mà dịch kén giàu anbumin. Thông thường mủ có tỷ trọng 30 đơn vị H. Tổ chức  hạt bao quanh áp xe rất giàu tuần hoàn nên khi đưa thuốc cản quang vào tĩnh mạch ta sẽ có một bao tăng tỷ trọng bọc quanh ổ áp xe, thể hiện trường hợp của một áp xe mới hình thành. Các ổ áp xe mạn tính có vỏ hiện rõ trên ảnh chụp CL-VT không tiêu thuốc cản quang. Tỷ trọng mủ chứa trong áp xe theo thời gian có thể giảm xuống gần với nước.

- Những biến đổi khác.

Hiện thượng vôi hóa ổ hoại tử hoặc vôi hóa protêin hoái hóa rất thường gặp trên phim X quang cho thấy một tỷ trọng rất cao trên ảnh CL-VT: tùy theo mức độ thấm vôi, tỷ trọng của ổ bệnh xuất hiện cao hơn ổ máu tụ cho đến tỷ trọng của xương cứng.

Thoái hóa trong và thoái hóa bột chứa Anbumin trong tế bào hoặc trong tổ chức kẽ không cho thấy sự thay đổi tỷ trọng.

Các ổ hoại tử trái lại thể hiện giảm tỷ trọng rõ rệt do quá trình dịch hóa tổ chức. Ta gặp các ổ này trong viêm không hồi phục và trong các u phát triển nhanh do thiếu ô xy tổ chức hoặc chảy máu trong u, chẹn mạch máu môi 1 khu vực hoại tử.

2. Chụp CL-VT có áp dụng chất cản quang With Contrast Enhancemens

Hai hình thức chính đưa thuốc cản quang vào cơ thể là:

Đưa vào khoang tự nhiên và đưa vào lồng mạch.

a) Đưa thuốc cản quang vào khoang tự nhiên (uống)

Các khoang tự nhiên như ống tiêu hóa, các tạng rỗng hay chứa dịch, khoang dịch não tủy đều có thể đưa cản quang vào để làm rõ hơn hình dáng, đường bờ, các thành phần chứa bên trong và mối quan hệ với các cấu trúc lân cận - Gastrographe Mith.

Khác với việc áp dụng thuốc cản quang trong X quang qui ước, chất cản quang dùng trong chụp CL-VT cần có những tiêu chuẩn sau:

- Dung dịch phải có độ cản quang ổn định: chất cản quang phải được hòa tan trong dịch, không có hiện tượng lắng, kết tủa...

- Dung dịch cản quang phải có áp lực thẩm thấu cân bằng với cơ thể (330 mosol/kg) để tránh hiện tượng cô đặc hoặc hòa loãng thuốc cản quang do trao đổi dịch với cơ thể.

b) Đưa thuốc cản quang vào lồng mạch

c) Đưa vào khoang CSF

3. Lượng nhiễm xạ đối với chụp CL-VT

Liều nhiễm QTX tại vùng cơ thể chụp CL-VT tương đương với liều tại chỗ của 1 lần khám đại trạng hoặc chụp thận tiêm tĩnh mạch (1-3 rad).

Liều sinh dục: do cấu trúc của máy bảo vệ tốt nên thường thấp hơn nhiều so với khám X quang qui ước nếu không chụp CL - VT trực tiếp tại vùng có cơ quan sinh dục.

IV. Chỉ định CL - VT trên lâm sàng:

Chụp CL - VT đã đem lại rất nhiều lợi ích trong chẩn đoán, đó là chưa kể các thủ thuật chọc dò và ứng dụng điều trị dựa vào kỹ thuật CL - VT. Ngoài việc phát hiện các ổ bệnh lý có kích thước rất nhỏ (vài miliket), nhờ đó tỷ trọng của ổ bệnh, chụp CL - VT còn cho phép dự đoán được cấu trúc của các ổ bất thường trong cơ thể.

Tuy vậy do số lượng máy còn hạn chế và giá thành cao nên ở những nước nghèo chỉ định còn thu hẹp. Dưới đây xin trình bày chỉ định chụp sọ não và chỉ định chụp toàn thân.

Các cấu trúc bên trong hộp sọ, với X quang qui ước, X quang mạch máu và điện não đồ thường không đủ để thăm dò, nhất là về hình thái học. Do lợi ích lớn của chẩn đoán sọ não bằng CL - VT, nhiều nước đã sản xuất những máy chuyên dụng cho sọ não.

a) Chấn thương

Các ổ máu tụ ngoài màng cứng do chấn thương có vỡ xương thường không khó khăn trong chẩn đoán lâm sàng. Đặc biệt có ích trong các ổ máu tụ sọ não, các ổ máu tụ dưới màng cứng, nhất là các ổ máu tụ mãn tính, không có vỡ xương sọ. Các ổ máu tụ mãn tính thường ở tỷ trọng bằng hoặc thấp hơn tổ chức não, đôi khi phải áp dụng thuốc cản quang tĩnh mạch để làm hiện rõ chúng. Các ổ máu tụ đồng thời cả hai phía đối diện của hộp sọ, hoặc ở những vùng không gây chuyển dịch vị trí của động mạch não thường không thể phát hiện được bằng chụp động mạch.

b) Các tai biến mạch mãu não

Trên ảnh CL - VT có thể dễ dàng phân biệt ổ máu tụ do chảy máu với những ổ giảm tỷ trọng do nhồi máu hoặc tắc mạch máu. Phát hiện tắc mạch não gây nhồi máu trên ảnh chụp CL - VT thường đạt được sau đột quị từ 12 đến 24 giờ. Đặc biệt có ích cho điều trị phẫu thuật sớm các trường hợp chảy máu - tụ máu.

Xem thêm: Ứng dụng thần kỳ của tế bào gốc

c) Các tổn thương do viêm:

Nói chung các tổn thương viêm não lan tỏa thường khó phát hiện trên ảnh CL - VT. Các ổ viêm khu trú hoặc di chứng của viêm não nhiều ổ khu trú cho thấy những ổ giảm tỷ trọng trong não.

Bệnh viêm não tủy - chất trắng cũng cho thấy những hình ảnh có thể phân biệt với viêm não lan tỏa. Các ổ áp xe não do nhiễm trùng dễ dàng phát hiện bằng chụp Cl - VT nhất là đối với áp xe mãn tính. Tiêm thuốc cản quang vào tĩnh mạch kết hợp chụp CL - VT có thể làm hiện rõ bờ của các ổ áp xe đang thành hình.

Các tổn thương khu trú từng ổ não do ký sinh trùng cũng là một chỉ định của chụp CL - VT.

d) U não

Chụp CL - VT cho phép xác định vị trí, độ lớn và dự đoán cấu trúc của u. Để dự đoán bản chất của u thường phải tiêm cản quang tĩnh mạch để đánh giá lưới tuần hoàn trong u. Tuy vậy việc phân biệt một u não, áp xe não và nhồi máu não bao giờ cũng phải kết hợp với bệnh cảnh lâm sàng.

e) Chụp CL - VT còn giúp phát hiện để xử lý những dị tật bẩm sinh của các cấu trúc bên trong hộp sọ.

2. Chụp CL - VT toàn thân

Có hai loại chỉ định khám CL - VT chính:

- Khám để phát hiện, chẩn đoán và chẩn đoán phân biệt. Đó là những trường hợp mà các phương pháp thăm dò khác như X quang qui ước, xét nghiệm sinh học.

- Huyết học, siêu âm... không đưa lại được chẩn đoán dương tính. Nói chung cả thăm dò khác thường đi trước chụp CL - VT.

- Chụp để đánh giá sự lan rộng của ổ bệnh nhằm đạt phương pháp điều trị thích hợp nhất, an toàn và tiết kiệm cho bệnh nhân.

Đối với các phân phối kích thước từ 3 - 10mm, X quang qui ước kể cả cắt lớp chỉ có thể phát hiện từ 20 đến 40%. Đối với phẫu thuật bụng và ngực, chụp CL - VT còn giúp cho phẫu thuật viên giảm được đáng kể những bất ngờ trong lúc mổ và lập được chương trình mổ thuận lợi vì nó cho thấy được mối liên quan ổ bệnh với các tạng lân cận.