หลักการทำงานของ Spiral CT.

          Spiral CT หรือ Helical CT  : ก่อนจะเป็น Multislices CT.

โดย ผศ.สุชาติ เกียรติวัฒนเจริญ

            เป็นเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ที่แก้ปัญหาเครื่องเอกซเรย์แบบ Conventional ทั้ง generation 3 และ generation 4 ที่ไม่สามารถหมุนรอบ gantry ได้เพราะติดปัญหาสายไฟ High voltage ที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่หลอดเอกซเรย์ทำให้เวลาในการ scan ผู้ป่วยใช้เวลาที่ต่ำสุดเพียง 1 วินาทีต่อการ scan หนึ่งครั้ง ดังนั้นเมื่อนำเอา Slip ring ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถแทนสายไฟแรงสูงที่จ่ายกระแสไฟฟ้าแก่หลอดเอกซเรย์โดยไม่ใช้สายไฟฟ้า ทำให้ตัดปัญหาการ scan ที่ไม่ต่อเนื่องออกไปได้

รูปที่ 1   ซ้ายมือ เครื่อง conventional CT. จะมีข้อจำกัดเรื่อง high voltage cable

            ขวามือ เครื่อง Spiral CT. ใช้ slip ring จ่ายแรงดันไฟฟ้าแก่หลอดเอกซเรย์แทนสายไฟทำให้หมุน หลอดเอกซเรย์ได้ต่อเนื่อง

การทำงานของเครื่อง Spiral CT. scan

            แนวคิดในการนำเอา Slip ring มาใช้ในเครื่อง CT.ครั้งแรกในปี คศ.1988 โดย Dr. Willi A. Kalender แห่งมหาวิทยาลัย Erlanger ในประเทศเยอรมัน (Institute  of Medical Physics) ร่วมกับ Peter Vock จากประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ในการวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคการเก็บข้อมูลแบบ volume scan และได้เสนอผลงานในการประชุม RSNA (Radiological Society of North America ที่จัดประชุมใน Chicago ในปี คศ. 1989 ซึ่งก่อนหน้านี้ในปี คศ.1997  Dr. Kalender เคยนำเสนอหลักการคำนวณการเก็บข้อมูลแบบ volume ร่วมกับ Mori.นักวิจัยชาวญี่ปุ่น, และได้เสนอผลงานวิจัยที่พัฒนาต่อในเกี่ยวกับเรื่องนี้อีกครั้งกับ Bresler และ Skrabecz  ในปี คศ. 1993

รูปที่ 2   (ขวามือ) ลักษณะการหมุนของหลอดเอกซเรย์ในขณะที่ผู้ป่วยเคลื่อนที่ทำให้การเก็บ

ข้อมูลของเครื่อง Spiral CT.มีลักษณะเป็นเกลียว

(ซ้ายมือ) ระบบมอเตอร์และสายพานเป็นชุดขับเคลื่อนหลักทำให้ Slip ring หมุน

ได้ต่อเนื่อง (ปัจจุบันใช้ระบบ direct drive แทนสายพาน; อ่านในเรื่อง gantry ของ MDCT)

            การใช้ Slip ring ช่วยแก้ปัญหาเครื่อง CT. ใน generation 3 และ 4 ที่ไม่สามมารถหมุนโดยรอบ Gantry ได้ตามอุดมคติที่คิดไว้เพราะปัญหาเรื่อง High voltage cable  ทำให้การหมุนแต่ละครั้งของหลอดเอกซเรย์ต้องหมุนไปและกลับ (Half scan) ทำให้ไม่สามารถทำเวลาในการ scan ต่ำกว่า 1 วินาทีได้ ทั้งนี้เพราะในการเก็บข้อมูลแต่ละครั้งจะต้องให้เวลาเตียงเอกซเรย์เคลื่อนที่เข้าสู่ตำแหน่งที่ตั้งไว้แต่ละ Slice ก่อนจึงจะเริ่มหมุนหลอดเอกซเรย์กลับเพื่อ scan ครั้งต่อไป เรียกเวลาที่อยู่ช่วงต่อระหว่าง scan ว่า interscan time ซึ่งจะใช้เวลาอยู่ในช่วง 0.5-4 วินาที นอกจากนั้นการที่หลอดเอกซเรย์ต้องหยุดทุกๆ ครั้งที่ scan แต่ละ slice ทำให้ต้องเริ่มหมุนจากหยุดนิ่งทุกครั้ง ยิ่งทำให้เสียเวลามากขึ้นในการเริ่มใหม่ทุกๆ ครั้งไม่ว่าไปหรือกลับ ซึ่งต่างจากการใช้เทคโนโลยี slip ring ที่สามารถทำความเร็วของหลอดเอกซเรย์ได้สูงในทุกๆ รอบการ scan ตลอดช่วงที่ตรวจ อย่างไรก็ตามในยุคแรกๆ ของเครื่อง Spiral CT. จะให้ความเร็วต่อรอบประมาณ 1 วินาที (360^๐ per second.)  ซึ่งไม่เร็วมากนัก เนื่องจากข้อจำกัดของการใช้สายพานและมอเตอร์ในการหมุน Slip ring แต่ระหว่างการหมุนของ หลอดเอกซเรย์และ detector นั้น จะเก็บข้อมูลไปพร้อมๆกับการเคลื่อนที่ของเตียงผู้ป่วยทำให้ข้อมูลที่เข้าสู่คอมพิวเตอร์ต่อเนื่องตลอดเวลาไม่ขาดช่วง ซึ่งต่างจาก conventional CT. ที่จะต้องมีเวลาในการประมวลผลภาพจากข้อมูลที่เรียกว่า Reconstruction time ซึ่งใช้เวลาประมาณ 4 วินาทีต่อรูป (GE: CT9800) และการแสดงภาพ (Display time) จะใช้เวลาอีกประมาณ 1 วินาทีนั่นคือการสร้างภาพแต่ละ Slice จะใช้เวลาประมาณ 5 วินาที (Scan time + Interscan time + Display time) นอกจากนั้นแล้วเครื่อง conventional CT. บางเครื่องจะใช้เวลาในการเก็บข้อมูลช้ากว่า Scan time (Long Acquisition time) ซึ่งทำให้เพิ่มเวลา Interscan time มากขึ้นไปอีก

แม้ว่า scan time ต่อครั้งจะเท่ากับ conventional ก็จริงแต่สามารถเก็บข้อมูลได้ครบรอบ (360^๐ ) ในขณะที่ conventional จะได้ข้อมูลไม่ครบรอบ (180-210 ^๐ ) เท่านั้น และไม่มีช่วงเวลาระหว่าง slice ด้วย เพราะมีการ scan ต่อเนื่องตลอดช่วงที่ต้องการและด้วยความก้าวหน้าของระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้ทำให้เห็นได้ว่าแม้ scan time เท่ากันแต่ตัดเรื่อง interscan time และ Acquisition time ภาพที่ได้จากเครื่อง Spiral CT. จะแสดงภาพเกือบทันทีที่เริ่ม Scan และภาพสุดท้ายแสดงได้เกือบทันทีที่สิ้นสุดการ scan

            รูปที่ 3 (A)  Conventional CT. จะเสียเวลาในการ scan จากการเคลื่อนที่และหยุดของเตียง

     รวมทั้งการหยุดกลั้นใจของผู้ป่วยเป็นครั้งๆ

(B) Spiral CT. สามารถ scan ต่อเนื่องตลอดช่วง ทำให้เวลาการ scan สั้นลง

ลักษณะที่สำคัญของเครื่อง Spiral

            ภายหลังการทำให้หลอดเอกซเรย์หมุนได้ครบรอบ 360 องศาจากการใช้ Slip ring ทำให้เครื่อง Spiral CT เก็บข้อมูลในลักษณะ Volume และต่อเนื่องตลอดเวลาที่ scan (Continue acquisition data) แต่ในระยะแรกพบว่าการเก็บข้อมูลที่มีลักษณะที่เรียกว่า Spiral หรือ Helical หากนำไปสร้างภาพด้วย Algorithm มาตรฐานเช่นเดียวกับเครื่อง Conventional CT. จะพบว่าภาพที่ได้มี Motion artifacts อยู่ทุก slice ซึ่งเป็นผลจากการเหลื่อมกันของข้อมูลที่เก็บในแต่ละระนาบ ดังนั้นเครื่อง Spiral CT. ได้พัฒนา Software และ Algorithm ที่จะใช้สร้างภาพให้มีคุณภาพที่สูงและรวดเร็วทันต่อเวลาในการเคลื่อนที่ของหลอดเอกซเรย์ที่ต่อเนื่อง ของข้อมูลตลอดเวลาที่ scan ดังนั้นการสร้างเครื่องของ Spiral CT. จะต้องมีความคุณลักษณะเฉพาะดังนี้

       1.หลอดเอกซเรย์และ detector จะต้องหมุนอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วสูงและสม่ำเสมอ 

     2.เตียงจะต้องเคลื่อนที่ตัดผ่านลำรังสีเอ็กซ์ขณะ scan ตลอดช่วงระยะที่กำหนด

       3.กำลังของเครื่อง (power loading) จะต้องมากกว่าเครื่อง conventional CT. 

             เพื่อให้สามารถรับ Load ที่หลอดเอกซเรย์ทำงานต่อเนื่องตลอดเวลาที่ scan

     4.หลอดเอกซเรย์จะต้องมีความจุความร้อน (Heat capacity) สูงกว่า  conventional 

         CT. เพราะการ scan ต่อเนื่องนานๆ จะเกิดความร้อนที่หลอดเอกซเรย์มหาศาล และระบบ

             การระบายความร้อนต้องรวดเร็วพอที่จะทำงานอย่างต่อเนื่อง

        5. ความเร็วของการหมุนของ Anode disc จะต้องเป็นชนิด High speed rotating 

         anode disc ซึ่งมีรอบสูงมากกว่า 9000 rpm. เช่นหลอดเอกซเรย์ของ Siemens 

              ที่ใช้กับเครื่อง Somatom 64 slices CT. scan จะมีรอบการหมุนถึง 12,000    

          rpm.  ทำให้การระบายความร้อนเร็วมากจนเครื่องสามารถ scan โดยไม่เกิด over heat 

               ที่ต้องหยุด scan เหมือนกับ เครื่อง conventional CT. ที่บางครั้งหากเครื่องระบาย

               ความร้อนไม่ทันก็จะต้องรอเวลาให้หลอดเอกซเรย์เย็นตัวลง เรียกว่า Cooling time 

               ซึ่งเกิดขึ้นเสมอๆ ถ้า scan range มากๆ

        6. การ reconstruction image จะต้องใช้ algorithm ที่เรียกว่า Spiral/Helical 

         weighting algorithm แทน standard algorithm ที่ใช้ใน conventional 

         CT. scan ซึ่งจะได้กล่าวต่อๆไป ในเรื่อง image reconstruction

รูปที่ 4 ลักษณะการ scan ของเครื่อง conventional CT และ spiral CT.

Spiral CT. Image reconstruction

            การสร้างภาพของเครื่อง Spiral CT. นั้นจะมีรูปแบบการเก็บข้อมูลต่างไปจาก conventional scan เนื่องจากข้อมูลที่รวบรวมในเวลาต่างๆ ขณะที่เตียงผู้ป่วยเคลื่อนผ่านไปนั้นจะทำให้แต่ละรอบการ scan มีข้อมูลเหลื่อมกันต่อเนื่องกันไปทุกๆ slice

      รูปที่ 5  (A) เป็นการเก็บข้อมูลเพื่อนำไปสร้างภาพแต่ละ slice ของเครื่อง                       convention CT.

      (B) ลักษณะของข้อมูลที่รวบรวมได้ในแต่ละรอบการ scan ของเครื่อง spiral CT.มีลักษณะการเหลื่อมกันของข้อมูลในแต่ละ axial plane

      (C) การนำข้อมูลจาก data plane ของเครื่อง spiral CT. สร้างภาพด้วยวิธีเดิมแบบ

conventional CT. จะเกิด motion artifacts ทุก slice

      (D) เมื่อใช้วิธี reconstruction แบบ interpolation algorithm จะไม่เกิด motion artefacts

รูปที่ 6   (A) การทำ 3D reconstruction ด้วยเครื่อง conventional CT จะเกิดการเคลื่อนตำแหน่ง ได้ง่าย (จากการขยับหรือเคลื่อนไหวของอวัยวะต่างๆ)

            (B) การทำ 3D-image จากการใช้ใช้ spiral CT. ซึ่งเป็น Volume 

                  acquisition data ทำให้

                              ข้อมูลที่นำมาสร้างภาพมีทุกตำแหน่งในลูกบาศก์ และความเร็วในการ scan ทำให้

      ภาพสามมิติที่ได้มีลักษณะที่ตรงกับความเป็นจริงมากกว่า

            เมื่อนำข้อมูลที่ได้มาสร้างภาพด้วยวิธีการเดียวกับ conventional CT. จะทำให้ภาพเกิด motion artifacts ทุกภาพ ต้องใช้การสร้างภาพที่เรียกว่า spiral/helical algorithm โดยเทคนิคที่เรียกว่า Interpolation Algorithm เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นโดยเครื่อง spiral จะออกแบบให้การสร้างภาพทำงานดังนี้

            1. การคำนวณข้อมูลเพื่อกำหนดตำแหน่งของข้อมูลแต่ละตำแหน่งจะใช้ Interpolation technique โดย plane ของข้อมูลที่ได้ทั้งหมด (มีลักษณะ Volume data ที่ทราบตำแหน่งทุกจุด) จัดข้อมูลออกเป็นระนาบของแต่ละ slice โดยการคำนวณค่าของข้อมูลที่อยู่ในตำแหน่งระหว่างข้อมูลที่เหลื่อมกัน เพื่อสร้างเป็น plane ใหม่ที่อยู่ระหว่าง plane ที่เหลื่อมกัน เรียกว่า interpolation data reconstruction ทำให้สามารถสร้างภาพในทุกระยะการ scan

            2. เมื่อได้ค่าของข้อมูลที่เกิดจากการคำนวณของ interpolation technique แล้วก็นำไปสร้างภาพด้วยเทคนิคมาตรฐานเช่น filter back projection ต่อไป จะได้ภาพที่ไม่มี motion artifact

รูปที่ 7   ขั้นตอนที่หนึ่งในการคำนวณหาค่าในตำแหน่งระนาบการสร้างภาพ (image

plane) ที่เกิดจาก Interpolation technique โดยใช้ข้อมูลที่เก็บแบบ volume set ซึ่งตำแหน่งภาพที่ interpolate จะเกิดระหว่าง Acquisition data แต่ละ plane ที่ scan ผ่านในแต่ละตำแหน่ง

จากรูปที่ 9 และ 10 เป็นการอธิบายรูปแบบการเก็บข้อมูลโดยเทคนิค interpolation ที่เรียกว่า simplest approach หรือในทางเทคนิคที่เรียกว่า 360 degree linear interpolation algorithm (360^๐-LI Algorithm)  ซึ่งในทางปฏิบัติพบว่า ในช่วงแรกของเครื่อง spiral CT. ที่ใช้เทคนิคนี้จะให้ภาพที่มีคุณภาพไม่สูงนักเนื่องจากการคำนวณจะใช้ตำแหน่ง Slice Sensitive Profile (SSP)ค่อนข้างกว้าง (รูปที่ 11) หรือเรียกตำแหน่งของระยะห่างกันของระนาบที่ใช้สร้างภาพทั้งสองว่า z-gap ซึ่งมีผลต่อคุณภาพของภาพถ้า z-gap มีระยะมากคุณภาพของภาพก็ไม่ดีนัก แต่ถ้า z-gap แคบจะทำให้ได้ภาพที่ดีกว่า

รูปที่ 8 ขั้นตอนที่สองในการสร้างภาพของเครื่อง spiral CT. เป็นการเลือก

             reconstruction plane ได้ตลอดช่วงข้อมูลอย่างอิสระ

           รูปที่ 9 การสร้างภาพด้วยเทคนิค 360 degree interpolation algorithm (z) โดยคำนวณข้อมูลระหว่างระนาบในตำแหน่ง z’ และ z’+d ที่ต่างกัน 360 องศา

เมื่อนำมาสร้างภาพจะได้ภาพที่ค่อนข้างหยาบ จึงแก้ปัญหาโดยใช้เทคนิคการเก็บข้อมูลที่เรียกว่า 180 degree Linear Interpolation Algorithm แทน (รูปที่ 12) ทำให้ระนาบของ SSP ไม่ห่างกันมากเมื่อนำไปสร้างภาพก็จะได้ภาพที่ดีกว่าการใช้ 360 degree interpolation reconstruction

รูปที่ 10 การสร้างภาพด้วยเทคนิค 180^๐ Linear Interpolation Algorithm (180^๐LI)

เทคนิคการสร้างภาพด้วย 180^๐ Linear Interpolation Algorithm (180^๐LI)  จะเกิดจากการคำนวณข้อมูลระหว่างระนาบในตำแหน่ง z” และ z’+d ที่ต่างกัน 180 องศา ส่วนการใช้ 180^๐ HI technique เป็นการใช้ข้อมูลในระนาบที่ซับซ้อนขึ้นจาก z’, z”,z’+d และ z”+d ทำให้ช่วง z-gap แคบมากกว่า 180 องศา

เอกสารอ้างอิง

สุชาติ เกียรติวัฒนเจริญ. เอกสารประกอบการสอนกระบวนวิชา 515337 เรื่อง ส่วนประกอบ

          ของเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเต็ทโทโมกราฟี. คณะเทคนิคการแพทย์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 

          เชียงใหม่. 2549.

E. Seeram. Computed Tomography; Physical principles.

      clinical applications and quality control. 2^nd edition.     

      W.B.Sauders Co.ltd, Philadelphia, USA.2001.

W.A. Kalender. Computertomography. Publicis MCD Verlag.

       München. 2000.

http://www.toshiba medical system.com (online)

http://www.siemens medical system.com (online)

 ********************** ติดตาม MDCT ตอนที่ 2 ครับ ******************************