Như đã trình bày trong bài viết trước [1-2], trong vòng 50 năm qua, máy chụp cắt lớp vi tính CT đã phát triển khả quan nhờ những tiến bộ vượt bực của máy vi tính, bộ cảm biến X-quang và công nghệ điện tử. Thời gian nhận hình nhanh hơn, độ phân giải cao và chất lượng hình X-quang rõ nét hơn trải qua bảy thế hệ đã giúp việc chẩn đoán lâm sáng nhiều bộ phận trong cơ thể với chất lượng bảo quản sức khỏe bệnh nhân tốt. Kết quả là chúng ta có máy chụp hình cắt lớp hiện đại trong nhiều bệnh viện trên thế giới như ngày hôm nay. Riêng ở Mỹ, hiện tại có khoảng 6 ngàn máy chụp CT với số lần CT scans mỗi năm là 75 triệu [3]. Mặc dù có nhiều thay đổi trong cấu tạo, tựu trung máy chụp cắt lớp vi tính vẫn dựa vào dạng thức quay/quay (rotatate- rotate) thuộc thế hệ thứ ba với chùm tia X hình quạt hay hình nón. Hình 1 biểu hiện cấu trúc cơ bản của một chiếc máy CT trên thị trường thuộc thế hệ thứ ba.

Hình 1. Thành phần chính của máy chụp CT thuộc thế hệ thứ ba sau khi lấy đi nắp bọc bên ngoài. Nguồn tia X hình quạt rộng đủ để bao phủ toàn cơ thể bệnh nhân với đường kính của quang trường 50 cm [4].  

Ngoài những phát triển quan trọng nói trên, nhiều kỹ thuật liên quan khác mà chúng tôi sắp trình bày dưới đây cũng được triển khai và đã góp phần không kém vào việc cung cấp xạ hình với chất lượng cao, thời gian xử lý ngắn, triển khai rộng  phạm vi khảo sát với máy chụp CT trên toàn bộ cơ thể con người, giúp công tác của bác sĩ chẩn đoán hình ảnh được dễ dàng và thuận lợi hơn. 

1 Hounsfield scale

Khác với hình X-quang thông thường chỉ có năm đậm độ (không khí, mỡ, mô mềm, xương và kim loại), máy chụp CT bao gồm một vùng rất rộng về độ sắc màu (grey scale)  trải dài từ không khí (màu đen) đến xương (màu trắng). 

Nhiều hình ảnh của những lát cắt theo hướng trục quay được tái tạo bởi máy tính với mục đích nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của những lớp tuyến dày. Những lát cắt này giống như cắt lát một ổ bánh mì; và mỗi  bánh mì có thể quan sát riêng rẻ. Cách tái tạo hình diễn ra như sau: tia X xuyên qua cơ thể bệnh nhân và được hấp thụ bởi bộ cảm biến; những bộ cảm biến này sẽ biến X-quang thành tín hiệu điện có thể đo đạt và lấy mẫu bởi hệ thu nhận số liệu DAS (data acquisition system). Nhiệm vụ chính của DAS là khuếch đại tín hiệu đạt được; rồi những tín hiệu khuếch đại này biến đổi sang dữ liệu số (digital data) qua bộ biến đổi A/D (ADC). Sau đó, những dữ liệu số được gửi sang máy vi tính để tái tạo hình X-quang. Máy vi tính sẽ dùng thuật toán (algorithm)  để chuyển  đổi dữ liệu số thành môt ma trận (matrix) với những độ sắc màu khác nhau.  Qui trình này sẽ ấn định một giá trị số cho mỗi sắc màu, được biết dưới cái tên là số CT (CT number hay còn có tên gọi là  đơn vị Hounsfield). Đơn vị Hounsfield (Hounsfield Unit hay HU) tùy thuộc vào thành phần của tuyến, lớp mô hay chất liệu của bộ phận cơ thể, điện thế của ống tia X, và nhiệt độ.

Số CT tỷ lệ với hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coefficient) µ và được tính theo hệ số suy giảm của nước dựa vào công thức ở Hình 2(a). Vài số CT tiêu biểu được biểu hiện ở Hình 2(b); ở đây số CT của nước được chọn làm tiêu chuẩn với con số zero; số CT của xương là +1,000 (màu trắng), của bắp thịt là +50 (màu xám), và của không khí là -1,000 (màu đen). Với số CT của xương và CT của không khí dùng làm giới hạn, số CT của những thành phần khác trong cơ thể như mỡ, bắp thịt, máu đều có màu xám nhưng ở những mức độ khác nhau. Chi tiết hơn vế số CT với những độ sắc màu (gray scale)  khác nhau của những phần trong cơ thể con người được biểu hiện ở Hình 3. Thí dụ như độ xám của xương với số CT nằm trong phạm vi 400 tới 1,000; phạm vi của mô mềm từ 40 đến 80; mỡ từ -60 đến -100 và số CT của phổi từ -400 đến -600.

Hình 2.  Số CT (CT number) tỷ lệ với hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coefficient) µ và được tính theo hệ số suy giảm của nước dựa vào công thức ở Hình 2(a). Vài số CT tiêu biểu được biểu hiện ở Hình 2(b) (Source: Carlo Maccia [5]). 

Hình 3. Chi tiết về những độ sắc màu của những thành phần khác nhau trong cơ thể như xương, tuyến mềm, nước, mỡ, phổi và không khí [6].  

Độ sâu bít (bit depth) của Hounsfield gray scale là 12 bít (4096) pixels, nằm trong phạm vi (-1024 đến +3071), đủ để bao hàm xạ hình của những bộ phận trong cơ thể. Nói trong thuật ngữ của bộ cảm biến chất rắn, điểm ảnh có vùng tuyến tính  (dynamic range) là 12 bít. 

2  Slip ring

Trước khi thảo luận về cơ cấu vận hành của những bộ phận kỹ thuật khác trong máy chụp CT như slip ring, quay hình xoắn ốc pitch, chúng tôi dùng quy ước về chiều hướng trục đi động X, Y, à Z (Hình 4).  

Hình 4. Các trục X,Y và Z trong máy chụp CT. Ở đây, trục Z là hướng di chuyển của bàn bệnh nhân; trục Y là hướng nối kết tia X với dàn hàng bộ cảm biến qua cơ thể bệnh nhân; và trục X nằm thẳng góc với trục Y [7]. 

Slip ring là một máy điện cơ  cho phép sự truyền đạt năng lượng, số liệu, dòng điện hay tín hiệu từ một mặt phẳng cố định (stationary surface) đến một mặt phẳng quay (rotating surface). Thường thì slip ring gồm có một vòng quay (a rotating ring) và một bàn chải quay (rotating brush) dọc theo bề mặt của chiếc vòng. Hình 5 (b) và (c) biểu hiện chuyển di theo dạng thức slip ring và Hình 5(a) biểu hiện chuyển di theo dạng thức thông thường, dùng để tham khảo. 

Slip rings có đường kính lớn thích hợp nhiều hơn với máy chụp CT. Bộ điện cơ này được dùng lần đầu tiên ở máy chụp CT thuộc thế hệ thứ ba. Và  máy chụp CT thuộc thế hệ thứ tư dùng kỹ thuật slip ring nhiều nhất.

Thường thì có ba slip rings trong cấu trúc của bộ máy điện cơ: slip ring thứ nhất dùng để cung cấp điện áp cao đến ống tia X; slip ring thứ hai với điện áp thấp dùng để điều khiển vòng bánh rán quay và slip ring thứ ba để chuyển dịch dữ liệu số từ dàn hàng bộ cảm biến đang quay. Những slip rings này được chế tạo tạo với chất dẫn điện như bạc và than chì graphit. 

 Hình 5 . (a) Chuyển di theo dạng thức thông thường dùng để tham khảo; (b) và (c) Chuyển di theo dạng thức slip ring. [5,6]. 

3  Helical scanning

Helical CAT scan (computed axial tomography scan) cũng có tên là CT vòng xoắn hay máy quét hình xoắn ốc (helical scanner), thường dùng để lấy hình tia X của toàn bộ một bộ phận trong cơ thể trong vòng một hơi thở. Về phương diện thực tế, không có sự khác nhau giữa helical CT và spiral CT. Willi Kalender và Kazuhiro Katada triển khai và giới thiệu máy chụp CT vòng xoắn ốc đến cộng đồng khoa học vào đầu thập niên 90’s. Có sự khác nhau giữa quét theo tuần tự (sequential scanning, Hình 6a) và quét theo vòng xoắn (spiral scanning, Hình 6b) :

-Quét theo tuần tự (sequential scanning): hoàn thành vòng quay bánh rán; tiếp theo bằng sự chuyện dịch bệnh nhân (bằng cách di chuyển bàn bệnh nhân nằm). Sau đó, chu kỳ cứ như thế mà tiếp tục.

- Quét theo vòng xoắn (spriral scanning)- tiếp tục quay bánh rán and giường  bệnh nhân cùng một lúc: (a) phát ra lượng số liệu chưa chỉnh biến (raw data), từ đó hình ảnh dọc trục  được tái tạo dùng phép nội suy (interpolation); (b) với sự hiện diện của kỹ thuật  slip ring, năng lượng có thể truyền dẫn đến bánh rán đang quay mà không cần dùng dây cáp.  

Hình 6. Hai dạng thức quét: (a) sequential scanning ; (b) spiral scanning [6] and (c) helical scanning [8]. Trên thực tế, không có sự khác nhau giữa “spiral ring” và “helical ring”. 

Như có thể thấy ở Hình 7, “helical scanning” bao gồm động tác liên tục của vòng lớn với bộ cảm biến, sự di chuyển bàn bệnh nhân và truyền tải dữ liệu.  Ở đây chuẩn trục chùm tia X (beam collimation) tương đương với chiếu dày lát cắt.  

Hình 7. (a) Hệ CT với nhiều đơn vị cảm biến (MDCT) với những kích cỡ khác nhau di động quanh bàn bệnh nhân như cái đu với những hàng cảm biến nằm nằm dọc theo trục Z [7]; và (b) Helical scanning với bàn bệnh nhân, bộ cảm biến, nguồn tia X và truyền tải dữ liệu số xảy ra cùng một lúc [9]. 

So với máy chụp cắt lớp vi tính thông thường, máy CT vòng xoắn ốc có những lợi điểm như sau: (i) Thời gian quét nhanh và cung cấp khối lượng lớn dữ liệu số; (ii)  độ liên tục chính xác về xạ hình; (iii) ít cần phải đăng ký vị trí lát cắt giữa hai lần quét tiếp nhau; (iv) giảm lượng bức xạ trên bệnh nhân; (v) ít vùng giả tạo do sự di động (motion artifacts); (vi)  gia tăng độ phân giải không gian (spatial resolution) dọc theo trục Z; (vii) cải thiện độ phân giải thời gian (temporal resolution) – chụp cắt lớp vi tính động mạch; (viii) cần ít chất cản quang; và (ix) thích hợp trong việc thực hiện 3D. 

4  Pitch

“Pitch”liên hệ trực tiếp đến chất lượng của hình X-quang và lượng bức xạ. Thường thì, chất lượng hình có thể  cải thiện và lượng bức xạ gia tăng khi pitch giảm, trong khi đó phẩm lượng xạ hình trở nên xấu hơn và lượng bức xạ thấp hơn với sự gia tăng của pitch [10].  Pitch ảnh hường  đến độ phân giải không gian (spatial resolution) của hình chụp cơ thể và lượng X-quang bệnh nhân. Độ pitch lớn sẽ giảm thiểu mức độ phân giải bởi vì khoảng cách gián đoạn giữa hai lát cắt sẽ rộng hơn; ảnh hưởng đến phép nội suy dữ liệu (data interpolation) trong lúc tái tạo hình.

Trong trường hợp của máy quét với một bộ cảm biến (single detector CT hay SDCT), pitch được tính bằng cách chia chiều dài di chuyển của bàn bệnh nhân với chiều dày của  một lát cắt (hay chùm tia chuẩn trục)- Hình 8a . Pitch của máy quét với nhiều bộ cảm biến (multi-detector CT hay MDCT), cách tính có hơi khác. Trong trường họp này, “pitch” được tính  như tỉ số của chiều dài di chuyển của bàn bệnh nhân trong một vòng quay của bánh rán với tổng số chiều dày của những lát cắt trong lúc vận hành CT (Hình 8c).  Hệ số pitch (pitch factor) biểu hiện sự liên quan giữa tốc độ bao phủ vùng đối với phần mỏng nhất có thể tái tạo hình. Trong máy chụp CT, lượng bức xạ tỉ lệ nghịch với khoảng cách chuyển dịch . 

Hình 8.  Cách tính SDCT pitch và MDCT pitch: (a)&(c) biểu hiện cách tính “pitch” của hai cấu trúc SDCT và MDCT; (b) MDCT pitch ở những tham số khác nhau về khoảng cách di chuyển bàn bệnh nhân và độ rộng chùm tia (beam width) (Source: Google Images). 

Vài thí dụ về “pitch”:

(a) Khi bàn bệnh nhân di chuyển 10 cm, máy quét cò 32 lát với độ dày mỗi lát bằng 2.5 mm; thì pitch= 100/(32x2.5)= 1.25

(b) Nếu chiều dày của tổng số lát cắt là 10 mm và bàn bệnh nhân di chuyển 10 mm trong một vòng quay, thì pitch= 10/10= 1.0.

(c) Nếu chiều dày của tổng số lát cắt là 15 mm và bàn bệnh nhân di chuyển 10 mm trong một vòng quay, thì pitch= 15/10= 1.5.

(d) Nếu chiều dày của tổng số lát cắt là 10 mm và bàn bệnh nhân di chuyển 5 mm trong một vòng quay, thì pitch= 5.0/10= 0.50.

Ở thí dụ (b), chùm tia X đi chung với vòng xoắn kế tiếp trở nên liên tục; có nghĩa là không có chỗ gián đoạn  nào giữa chùm tia X và không có sự xếp chồng lên nhau của chùm tia X. Trong thí dụ (c), một khoảng cách 0.5 mm tồn tại giữa những góc cạnh của chùm tia X của những vòng kế tiếp. Và với trướng hợp (d), vòng kế tiếp của chùm tia X có độ xếp chồng 5 mm, gia tăng gấp hai  độ bức xạ đến những tuyến nằm phía dưới.  Sự lựa chọn pitch tùy theo việc chẩn đoán và sự cân bằng trong việc trao đổi giữa vùng bao phủ (phơi dưới tia X) và độ chính xác (Hình 8b).

6. Kết từ

Nhiều kỹ thuật liên quan như hệ nhận số liệu (DAS), thuật toán, slip ring và quay xoắn ốc đã góp phần vào những tiến bộ khả quan của máy chụp cắt lớp CT trong nhiều thập niên qua. Sự tiến bộ của hệ thống quét hình xoắn ốc do hãng GE đề nghị và triển khai  đã gây nên ảnh hưởng sâu đậm đến sự phát triển của máy chụp CT và đã làm phương thức “step-and-shoot” truyền thống của máy CT trở nên vô dụng. Với hệ thống quét hình xoắn ốc, bánh rán quay liên tục; đồng thời bàn bệnh nhân tiếp tục chuyển di về hướng bánh rán làm cho cơ thể bênh nhân “bị cắt lát” theo hình xoắn ốc. Kết quả, hình cắt lát mỏng hơn, độ phân giải cao hơn và ít quầng giả tạo (artifacts). Một đột phá khác nữa trong lãnh vực máy chụp CT là hệ thống quét đa lát (multi-slice scanning) do Toshiba, Siemens và GE triển khai vào năm 1998. Giữa thập niên 2000’s, các hãng đã đưa ra thị trường  máy chụp CT 64 lát trong mỗi vòng quay, khởi đầu thời kỳ hiện đại của xạ hình CT.

Trong bài viết tới, chúng tôi sẽ thảo luận về hệ thống máy chụp CT với nhiều bộ cảm biến (multi detector computed tomography hay gọi tắt là MDCT), một phát triển lớn trong lãnh vực xạ hình y học.

7. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Godfre-%20Hounsfield.htm

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Tien-bo-cua-may-chup-CT.htm

[3] https://idataresearch.com/over-75-million-ct-scans-are-performed-each-year-and-growing-despite-radiation-concerns/

[4] Thomas Flohr: Current Radiology Report, volume 1, pp 52-63, Jan, 09, 2013.

[5] Carlo Maccia, XI National Turkish Medical Physics Congress, 14-18 November 2007

[6] Source: Lukas Miksik, KZMFN Motol

[7] Ehsan Ali and Guy Hoenig, Florida Institute of Technology.

[8] Diagnostic Radiology Physics: a Handbook for Teachers and Students – chapter 11, 16

[9] Hareesha N G, Dept. of Aero Engg. DSCE

[10] K. Katada: JMAJ 45(4), 2002, 175-179.

April 2021

(University of Minnesota & Ecosolar International)