Trong những bài viết trước [1-4], chúng tôi đã trình bày về sự thành công trong việc chế tạo bộ cảm biến dùng trong hệ thống chụp hình quang tuyến X kỹ thuật số (digital radiography hay DR). Cơ cấu và nguyên lý vận hành của những bộ cảm biến này cũng có thể dùng trong máy chụp cắt lớp vi tính (computed tomography hay chụp CT) thông thường và cone beam CT (CBCT) hiện đại trong việc chụp xạ hình của các bộ phận trong cơ thể con người, súc vật và trong những ứng dụng đặc thù về mặt, răng và giải phẫu thẩm mỹ. So với hệ thống chụp X quang cho vú và ngực, kích cỡ điểm ảnh (pixel) và khoảng cách không tín hiệu (dead space) giữa các đơn vị cảm biến modules (tiling)  trong máy chụp CT lớn hơn; vì thế công tác chế tác trở nên thuận lợi hơn.

Từ lúc máy chụp CT ra đời vào năm 1972, máy chụp cắt lớp vi tính đã tiến bộ vượt bực qua nhiều thế hệ. Trong những năm gần đây, phương hướng dùng bộ cảm biến màn phẳng (flat panel detectors) trong máy chụp CT càng lúc càng trở nên thịnh hành trong nhiều lãnh vực chẩn đoán lâm sàng. Loại máy này có cái tên gọi chung là Cone Beam CT hay CBCT hay CT với bộ cảm biến có màn phẳng (Flat-panel-detector-based CT, hay thường  gọi tắc là FDCT). Cả hai CBCT và FDCT thuộc thế hệ thứ bảy và thứ tám trong Table 1 [5]. Cũng xin ghi nhận ở đây, phần lớn các chuyên gia nhập cả hai thế hệ và gọi với cái tên chung chung là thế hệ thử bảy để ám chỉ CBCT với màn hình phẳng.

Bộ cảm biến màn hình phẳng có thể là bộ cảm biến kết nối (hybrid) với phốtpho/ vô định hình silic quang điốt/tranzito (indirect conversion) hay chất quang điện selenium/tranzito (direct conversion). Hay cũng có thể là bộ cảm biến tích hợp; trong cấu trúc này tấm nền silic được làm mỏng dùng thuật khắc hóa cơ và các thành phần để dẫn tín hiệu đến bo mach đều có chế tạo bằng đơn tinh thể silic. Lớp phốtpho có thể là phốtpho có cấu trúc hay phốtpho kết hợp với bản mặt phẳng bằng sợi quang (fiber optic faceplate). Và phương pháp “tiling” của chúng tôi như đã trình bày ở những bài viết trước sẽ dùng cho cả hai cấu trúc. Trong máy chụp cắt lớp vi tính, nhiều dàn hàng của bộ cảm biến có thể kết nối bắng “tiling” và quang phổ hay X-quang (tùy theo indirect hay direct conversion) có thể chiếu từ phía sau tấm nền để gia tăng tín hiệu và giảm thiểu nhiễu âm. Trong trường hợp indirect conversion, phốtpho có cấu trúc (structured phosphor) hay cesium iodide hợp với tạp chất thallium (CsI:Tl) có thể xử dụng. Cùng một máy chụp CT cũng có thể thiết kế với hai dạng thức radiography và fluoroscopy dùng configured transistors [6].  

Table 1 Sự phát triển của máy chụp cắt lát CT trong vòng năm thập niên qua [5]. Một số lớn các chuyên gia nhập thế hệ thứ bảy và thứ tám chung lại với nhau dưới cái tên “thế hệ thứ bảy”.  

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận  máy chụp cắt lớp vi tình dùng bộ cảm biến màn hình phẳng có cấu trúc hybrid. Máy CBCT với bộ cảm biến màn hình phẳng tích hợp sẽ được trình bày ở bài viết kế tiếp. 

1. Tóm lược về cấu trúc bộ cảm biến X quang hybrid trong những bài viết trước

1.1 Bộ cảm biến màn hình phẳng thuộc dạng ghép nối (hybrid)

Hệ thống cảm biến DR (direct radiography) dùng một chất cảm quang phủ trên hàng chục triệu tranzito (transistors) trải rộng trên một mặt nền có kích cỡ 14”x17” (35.6 cm x 43.2 cm)  tới 17”x17” (43.2 cm x43.2 cm) dùng trong việc chụp X quang ngực và 8.5”x10” (21.6 cm x 25.4 cm) tới 10”x10” (25.4 cm x 25.4 cm) dùng trong  việc chụp X-quang vú. Mỗi tranzito đi đôi với một điểm ảnh (pixel)- tương đương với một giếng điện tích- có kích cỡ khoảng 50 µm x 50 µm đến  139 µm x 139 µm; có thể nhỏ hơn hay lớn hơn tùy theo nhu cầu, giá thành và phương pháp thiết kế. Mỗi tranzito vẩn hành như một cái khóa điện tử có thể đóng mở để truyền tải điện tích. Lượng điện tích tỉ lệ với lượng quang tuyến X và được dẫn đến các mạch điện chung quanh trang bị với bộ ghi dịch (shift register), bộ biến đổi A/D (A/D converter), source follower, tạo thành hình trắng đen trên màn hình máy tính để bác sĩ X quang tầm soát và chẩn đoán [3]. Hình 1a tương đương với bộ cảm biến DR với chất quang dẫn (photoconductor) amorphous selenium nằm trên một dàn hàng với hàng triệu vô định hình silic tranzito (amorphous silicon thin film transistors) để cảm biến trực tiếp lượng X quang qua dạng điện tích. Thuật ngữ để ám chỉ qui trình biến đổi trực tiếp từ X quang sang điện tích được gọi là “direct conversion”. Hình 1b biểu hiện một dạng thức khác của bộ cảm biến DR khi chất cảm biến là cesium iodine hợp thêm với tạp chất thallium (CsI:Tl) hay gadolinium oxysulfide thêm với tạp chất terbium (GdOS:Tb) dùng để biến X quang thành quang phổ nhìn thấy. Thuật ngữ để ám chỉ qui trình biến đổi từ X quang qua quang phổ rồi sang điện tích được gọi là “indirect conversion”. Lượng quang phổ tỉ lệ với lượng X quang được cảm biến với quang điốt (photodiode) và điện tích đạt được sẽ được truyền đạt đến mạch điện chung quanh. Trong hệ DR này, mạch điện tử đọc tín hiệu (read-out electronics) với những mạch điện chung quanh làm bằng đơn tinh thể silic và kết nối với bộ cảm biến bằng hợp kim hàn. Chúng tôi tạm gọi hệ thống này là bộ cảm biến ghép nối (hybrid radiation detector). Có nghĩa là bộ cảm biến này được tạo thành bằng sự kết hợp qua hàn chì của  hàng triệu vô định hình silic tranzito và quang điốt làm bằng vô định hình silic hay đa tinh thể silic với mạch điện chung quanh làm bằng đơn tinh thể silic.  

1.2 Tiling approach

Kỹ thuật “tiling approach” bằng cách ghép N tấm modules hay tiles 8.5”x8.5” (hay nhỏ hơn; N =2,4,8,16 hay con số nguyên nào thích hợp) đặt sát cạnh bên nhau trên một tấm nền bằng kính lớn và cố giữ khoảng cách không tín hiệu (dead space) giữa những đơn vị modules nhỏ hơn kích cỡ của mỗi điểm ảnh (pixels) dùng kỹ thuật mài giũa chính xác góc cạnh của mỗi đơn vị modules. Sau đó, một lớp phốtpho hay quang dẫn điện (photoconductor)/điện môi (dielectric layers)  được  phủ lên trên toàn vùng của dàn hàng của các đơn vị cảm biến modules tương ứng với  indirect conversion DR hay direct conversion DR (Hình 1c).

Hình 1.  (a) Cấu trúc điểm ảnh DR với amorphous selenium/transistors (direct conversion) do chúng tôi đề nghị và triển khai; (b) Cấu trúc điểm ảnh DR với phosphor/photodiodes/transistors (indirect conversion); phốtpho có cấu trúc (structured phosphor) hay CsI:Tl có thể dùng để giảm thiểu sự phát tán quang tử; và (c) Phương thức ráp bốn đơn vị cảm biến (modules) để chụp X-quang ngực kỹ  thuật số. Mạch điện tử đọc tín hiệu (read-out electronics) nằm chung quanh bộ cảm biến được chế tạo bằng đơn tinh thể silic (single crystal silicon)[7].      

2. Máy chụp cắt lớp vi tính với màn phẳng

2.1 Cấu trúc của máy chụp cắt lớp vi tính

Hiện tại, thuật ngữ bộ cảm biến có màn phẳng (Flat-panel-detector-based  CT hay FDCT) phần lớn dùng để ám chỉ chụp xạ hình CT dùng hệ C-arms (Hình 2,3 & 4) dùng  cho radiography và nội soi huỳnh quang (fluoroscopy). Những máy chụp cắt lớp vi tính này  được trang bị với  bộ cảm biến màn hình phẳng  thay vì một dàn hàng đơn vị cảm biến nhất định như trong những máy cắt lớp thông thường [4]. Bộ cảm biến màn hình phẳng FDCT thu nhập dữ liệu qua một vòng quay 180 độ hay lớn hơn nữa và  có ưu thế về vùng tuyến tính rộng, tốc độ đọc tìn hiệu điện tử nhanh và thiết kế gọn. Ngoài ra FDCT còn có những ứng dụng có tính cách đặc thù có thể xử dụng trong máy quét CT với những ứng dụng như micro-CT, vùng maxilla-facial  và lận cận (miệng , cằm, cổ, hay tai, mũi, họng) hay trong phòng phẫu thuật.

CT dùng C-arm systems trang bị với bộ cảm biến màn phẳng được nghiên cứu và xử dụng trong nhiều năm qua; đầu tiên với ống tăng cường ảnh (image intensifiers). Nhưng gần đây người ta cùng bắt đầu dùng bộ cảm biến màn phẳng với diện tích  trong phạm vi từ 5x5 cm² đến 40x40 cm², tùy theo ứng dụng và giá thành. Màn phẳng với một diện tích rộng như 30 x40 cm2 và kích cỡ của điểm ảnh (pixel size) khoảng 150x150  µm² cũng được triển khai. Kích thước này cũng nằm trong phạm vi kích cỡ bộ cảm biến màn hình phẳng dùng trong hệ DR (direct digital radiography) dùng chụp quang tuyến ngực và vú mà chúng tôi đã góp phần khai phát.   

Thêm vào đó, FPCT có tính đa dạng và có thể dùng trong real-time fluoroscopy với độ phân giải không gian cao; và vẫn có thể giữ thời gian quét dài đủ để tối ưu hóa tí số signal/noise.

Hình 2. Tầm nhìn tổng quát của cấu trúc FPCT. Sự khác biệt chính của FDCT và hệ chụp hình cắt lớp CT thông thường là nguồn tia X hình nón và bộ cảm biến màn phẳng được xử dụng. Isocenter là giao điểm giữa trục X và trục Z (trục di chuyển bàn bệnh nhân). Khoảng cách từ nguồn tia X đến bàn bệnh nhân và bộ cảm biến màn phẳng theo thứ tự là 57 cm và 93 cm [8 ].

Hình 3. Máy chụp FDCT thử nghiệm của Siemens  với phần bọc bên ngoài  được tháo ra. Mũi tên màu trắng và màu  đen theo thứ tự chỉ định vị trí của hệ phát tia X và bộ cảm biện màn hình phẳng nằm. Bộ cảm biến được chế tạo với chất vô tinh thể silic. Mặc dù chỉ có một bộ cảm biến màn phẳng dùng ở đây, tùy theo ứng dụng, nhiều bộ cảm biến màn phẳng cũng có thể dùng (theo dạng tiling)[8] .

Hình 4. Máy chụp hình cắt lớp CT có cấu trúc tương tự với cấu trúc biểu hiện ở Hình 2 và Hình 3 với C-arms [ 9]. 

2.2 Phốtpho dùng trong máy chụp CT

Ngoài chất gadolinium oxysulfide thêm với tạp chất terbium (GdOS:Tb) và cesium iodide thêm tạp chất thallium (CsI:Tl) thường dùng trong hệ DR (digital radiography); những chất liệu sau cũng được dùng trong máy chụp CT: CdWO₄, Gd₂O₂S:Pr,Ce (GOS), (Y,Gd)₂O₃:Eu , ZnSe:Te , GE Gemstone™ , (Lu,Gd,Y,Tb)_{3 ,} SrI₂:Eu và (Ga,Al)₅O₁₂ [10]  

3. Những điểm chính khác nhau giữa MSCT và FPCT

Bộ cảm biến dùng trong FDCT có nhiều điểm tương đồng với MSCT [4]. Kích cỡ của hai bộ cảm biến có phần khác nhau: trong khi MSCT đòi hỏi đơn vị cảm biến với kích cỡ nằm trong khoảng 1.0 x 15 mm² or 1.0 x 1.5 mm²,  đơn vị cảm biến  dùng trong FDCT có kích cỡ nhiều lần nhỏ hơn, thường trong khoảng 0.1 đến 0.2 mm mỗi bên.

Bộ cảm biến với màn phẳng  dọc theo hướng Z với một vùng rộng và bao phủ một diện tích lớn hơn cho mỗi vòng quay của bánh rán. Mặc dù độ phân giải không gian và độ phân giải tương phản (contrast resolution)  của FDCT không khác hơn MSCT một cách đáng kể, cấu trúc của FDCT có thể dẫn đến đến nhiều lợi ích trong việc chẩn đoán lâm sàng. MSCT bị giới hạn bởi một góc độ nhất định, trong khi đó FDCT mở đường cho việc dùng C-arm dùng màn hình phẳng cho động mạch bằng cách lợi dụng ưu  điểm về quang trường rộng và khả năng dùng “C-arm spins” ở góc độ thích nghi cho việc thu thập thông tin động (dynamic information) trong thời gian thực (real time).

FDCT lúc đầu được triển khai để dùng trong việc chụp quang tuyến X (radiography)  và sau này dùng trong chụp tia X mạch (angiography) để cải thiện những yếu điểm của phim/screen và ống tăng cường ảnh (image intensifier).  Với cơ cấu của FDCT, khả năng đọc tín hiệu điện tử  nhanh với độ tin cậy cao và vùng tuyến tính rộng. Riêng về trường hợp phốt pho, độ hấp thụ tia X cao hơn với lớp phốtpho dày hơn; nhưng đồng thời độ phân giải không gian (spatial resolution) bị giảm. Trường hợp của “indirect conversion” với  với CsI:Tl, ánh sáng dọc theo những cột hình trụ (columns/neddles)  trong phốtpho có cấu trúc không hoàn hảo (phân tán ánh sáng); kết quả là độ phân giải không gian cũng bị suy giảm. Trong trường họp này , cấu trúc biến đổi trực tiếp (direct conversion) với lớp dẫn quang điện như selenium  có thể thuận lợi hơn. Table 2 tóm tắt những sự khác biệt về tham số (parameters) giữa MSCT và FDCT. 

Table 2. Những tham số tiêu biểu của MDCT (hay MSCT) và FDCT. So với MSCT, số đơn vị cảm biến trong FDCT nhiều hơn và bao phủ một khoảng cách rộng hơn. Ghi chú: MDCT (Multi-Detector CT) và Multi-Slice CT (MSCT) đồng nghĩa với nhau [11], 

4. Thí dụ về CBCT dùng trong việc chẩn đoán

Máy thử nghiệm CBCT của hãng GE (General Electric Global Research, Niskayuna, NY) gồm có hai bộ cảm biến màn phẳng tia X dựa vào vô định hình silic (amorphous silicon) được lắp đặt trên hệ thống quay bánh rán. Mỗi bộ cảm biến có kích cỡ 20.5 x 20.5 cm² với 1,024 x 1,024 pixel; và pixel size 200 x 200 µm². Bộ cảm biến có một dàn hàng điểm ảnh với cấu trúc phốtpho/ quang điốt/ tranzito. Cả điốt và tranzito đều được chế tạo dựa vào chất vô định hình silic (amorphous silicon) với cấu tạo biểu hiện ở Hình 1b.  Bộ cảm biến nằm đối diện với  ống tia X với  bánh rán có đường kính bên ngoài là 43.8 cm. Quang trường  (field of view hay  FOV) là 12.8 x 12.8 cm²  ở dạng đơn (single mode); trong trường hợp của dạng kép (dual mode), tầm nhìn là 33.3. x 33.3 cm². Đối với cả hai dạng, khoảng cách từ  điểm hội tụ  đến isocenter (giao điểm giữa trục X và trục Y của máy chụp CT) là 54 cm. Khoảng cách tính từ bộ cảm biến X-quang đến isocenter  đối với dạng đơn  là 78.3 cm và 80.3 cm trong trường hợp của dạng kép. Độ phân giải không gian  0.2 mm ở 10% MTF (hàm chuyển điều biến hay modulation transfer function)  Những diểm ảnh này có thể “ghép chung với nhau/binned” với nhau để tạo CT với những lát cắt có chiều dày khác nhau [12-13].   

5. Kết từ

Cấu trúc của bộ cảm biến và phương pháp “tiling” mà chúng tôi đã góp phần triển khai có thể dùng trong việc chế tạo máy CT với bộ cảm biến có màn hình phẳng FDCT. Cùng với công nghệ xoắn ốc, MSCT, sự phát triển của màn hình phẳng cũng đã làm cho máy chụp hình cắt lớp X-quang  càng lúc càng trở nên thịnh hành hơn chẳng những trong nhiều lãnh vực chẩn đoán lâm sàng, mà còn có thể dùng trong những ứng dụng đặc thù về mặt, răng và giải phẫu thẩm mỹ. Trong bài viết tới, chúng tôi sẽ thảo luận CT với bộ cảm biến tích hợp có màn hình phẳng.

Trần Trí Năng
(University of Minnesota & Ecosolar International)
6/25/2021

6. Tài liệu tham khảo

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

 [2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Digital-Breast-Tomosynthesis.htm

[3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Integrated%20Radiation%20Detector.htm

[4] MSCT

[5] Mahadevappa Mahesh, Johns Hopkins University, Baltimore, MD

[6] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Fluoroscopy-Radiography.htm

[7] N. Tran: Thin Films Technology, UMN.

[8] Source:  Francis Fortin  and Andrew Murphy  et al.

[9] https://doi.org/10.1016/j.jvir.2008.02.002. April 23, 2008DOI

[10] Source: Philips Healthcare

[11] Willi A. Kalender & Yiannis Kyriakou,  European Radiology, vol.17 (2007) , pp 2767- 2779.

[12]The British Journal of Radiology , 82 (2009), 716-723).

[13] https://radiopaedia.org/articles/flat-panel-ct?lang=us