XQUANG KĨ THUẬT SỐ TRỰC TIẾP

XQUANG KĨ THUẬT SỐ TRỰC TIẾP

Nguyễn Xuân Hiền*

*Khoa Chẩn đoán hình ảnh, Bệnh viện Bạch Mai

                                                 

I. TỔNG QUAN

            DR là viết tắt từ chữ Direct Radiography, có nghĩa là chụp Xquang kĩ thuật số trực tiếp, không cần bìa tăng quang, catssette hay tấm thu nhận ảnh của CR.

            Xquang kĩ thuật số đã có khoảng 20 năm trước và được gọi là kĩ thuật Xquang điện toán CR (Computed radiography). Đến khoảng cuối thập niên 90, mới xuất hiện kĩ thuật Xquang trực tiếp DR (Direct radiography), cho hình Xquang kĩ thuật số không cần qua máy Laser scan như CR.

            Trong DR, ảnh được tạo ra một cách trực tiếp mà không phải qua thiết bị đọc ảnh trung gian như CR. Điều này có thể được thực hiện nhờ vào cấu tạo đặc biệt của đầu dò của DR. Đầu dò DR là loại đầu dò ảnh số phẳng (flat-pannel digital images detector) sử dụng công nghệ ma trận hoạt động (active matrix). Đầu dò là một bảng phẳng có kích thước như tấm phim thường, gồm những ô đơn vị được cấu tạo từ các transistor hiệu ứng trường FET dạng mỏng (thin-film transistor) hoặc các diode làm từ các vật liệu bán dẫn sợi tinh thể hoặc vật liệu bán dẫn vô định hình. Hiện nay có hai loại đầu dò DR thông dụng dựa trên hai phương pháp tạo ảnh Xquang trên mảng phẳng (flat-pannel):

            + Công Nghệ TFT (trực tiếp): Chuyển trực tiếp năng lượng tia X thành tín hiệu điện.

            + Công Nghệ CCD (gián tiếp): Chuyển năng lượng tia X thành ánh sáng. Sau đó chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện.

II. ĐẦU DÒ CỦA MÁY DR

            1. CÔNG NGHỆ TFT (Thin Film Transistor): DR trực tiếp

            Trong phương pháp này, đầu dò thường dùng chất quang dẫn như selenium vô định hình hay silicon vô định hình.

            1.1 Cấu tạo của đầu dò selenium vô định hình a-Se (Amorphous Selenium)

            Đầu dò của DR có dạng rất đặt biệt như trong hình 1 và hình 2. Thiết bị sử dụng một lớp hơi a-Se đồng nhất và liên tục đặt trên điện cực thu nhận điện tích (charge collection electronde) và trên dãy transistor hiệu ứng trường tạo thành một vùng hoạt động có kích thước cỡ 35 x 43cm.

Hình 1. Cấu tạo của đầu dò a-Se-Hình ảnh TFT của ViKOMED

            Lớp a-Se có một lớp lưỡng cực điện (dielectric layer) và lớp điện cực trên cùng (top electrode) áp vào để tạo ra một cấu trúc có chức năng như một tụ điện, trong đó các electron được tạo ra trong suốt quá trình chiếu tia được thu nhận dưới một điện áp phân cực (hình 3). Sự thu nhận và lấy tích phân được thực hiện trong vùng điện cực thu nhận điện tích hình vuông có kích thước 129 µm đặt trên dãy FET. Kích thước pixel là 139µm, như vậy tỉ số phủ hình học là 86% (hình 4). Đây là thông số quan trọng, nó giúp đạt được hiệu suất thu nhận điện tích cao, và vì vậy tỉ số tín hiệu - nhiễu cao. Tỉ số tín hiệu - nhiễu càng cao thì chất lượng ảnh càng tốt. Điện cực thu nhận điện tích được gắn chặt với một tụ điện lưu trữ tín hiệu (signal storage capacitor), tụ này lại được gắn vào cực D của FET.

Hình 2. Mặt cắt ngang của mảng đầu dò a-Se

            Một tính chất đặc biệt của thiết bị, bên cạnh hiệu suất thu nhận điện tích cao, là khả năng ngăn ngừa tác động xấu đến thiết bị khi mức liều chiếu cao. Khi chiếu tia, sự thu nhận điện tích sẽ làm giảm điện thế phân cực. Hiệu suất thu nhận chịu ảnh hưởng của điện thế phân cực, có nghĩa là sự tạo cặp electron - lỗ trống và hiệu suất tách sẽ giảm xuống. Điều này ngăn cản sự tích điện quá mức của các tụ điện lưu trữ tín hiệu, và do đó ngăn cản các tác hại xấu đến cấu trúc khi chiếu tia ở cường độ cao.

            1.2 Sự tạo ảnh và đọc ảnh

            Khi mảng đầu dò được chiếu bức xạ ion hoá, cặp electron - lỗ trống được tạo ra trong lớp a-Se. Điện áp phân cực tạo ra một từ trường khoảng 10 V/µm qua lớp Se để tách các điện tích về hai phía ngược nhau: lỗ trống được truyền đến điện cực thu nhận điện tích, còn electron được thu nhận ở lớp điện cực trên cùng. Điện trường áp đặt còn ngăn ngừa đáng kể sự phân kì theo phương ngang của điện tích tạo ra trong quá trình chiếu tia (Hình 5). Phân tích lý thuyết và thực tế của lớp a-Se dưới một trường từ cho thấy rằng cấu trúc có thể đạt tới độ phân giải không gian nội tại cực cao. Không giống như hệ thống CR có độ phân giải không gian phụ thuộc vào lớp photpho, độ phân giải trong trường hợp này phụ thuộc vào cấu tạo hình học của pixel, không phụ thuộc vào a-Se. Vì vậy hàm MTF (modulation transfer function) cao như mong đợi trong đầu dò a-Se.

Hình 3. Hệ thống DR giảm sự tán xạ ánh sáng

            Khi chiếu tia, FET ở chế độ tắt trong khi điện tích được tích trong các tụ. Tại lúc dùng dừng chiếu tia, một xung dương được áp vào cực cổng G của FET đầu tiên, G1. Đường dữ liệu D1 nối đến nguồn FET thu nhận điện tích từ đường dẫn như hình 6. Điện tích tín hiệu được chuyển đến bộ khuyếch đại điện tích nối với đường dữ liệu. Tín hiệu từ hàng được trộn và chuyển đến bộ biến đổi AD và lưu trữ trong bộ nhớ máy tính. Quá trình đọc dữ liệu cứ thực hiện từng hàng cho đến khi hết toàn bộ các pixel.

            Lúc kết thúc chu trình đọc, chu trình xoá điện tích được bắt đầu để chuẩn bị cho lần chiếu tiếp theo. Quá trình xoá sẽ loại bỏ bất kì điện tích dư nào từ các lớp mặt và bất kì các điện tích bị giữ trong các trạng thái của a-Se, vì vậy ngăn cản sự tạo bóng của ảnh (ghost image) giữa các lần chụp.

            Để tối đa hoá tỉ lệ tín hiệu-nhiễu, và vì vậy chất lượng ảnh, thiết bị còn thực hiện điều chỉnh nền. Đầu tiên là tạo ra bảng tra LUT (look-up table) sự hiệu chỉnh. Bảng này chứa một ảnh chuẩn của dãy đầu dò tương ứng với sự chiếu tia X bảng phẳng. Bảng tra LUT này lưu trữ ảnh kết quả chứa sự khác nhau về độ đồng nhất của nguồn tia X, cũng như các sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng của đầu dò ở các mức độ chiếu tia khác nhau và các mức năng lượng khác nhau. Sự thay đổi này gây ra sự thay đổi nhỏ trong độ lợi của mỗi pixel và ở ngõ ra của bộ khuyếch đại điện tích. Nói chung, có thể thấy rằng sự chuẩn hoá LUT có thể tạo một lần và sử dụng cho nhiều lần chiếu khác nhau. Khi sự thay đổi về độ đồng nhất của nguồn tia X, mức độ chiếu, mức năng lượng là đáng kể, thì mới cần chuẩn hoá lại.

            Bên cạnh bảng LUT, hệ thống còn cần có các ảnh chuẩn trường tối (dark field reference image) trước và sau mỗi lần chụp. Selenium vô định hình, cũng giống như nhiều chất bán dẫn khác, tạo ra một dòng tối nhỏ tại nhiệt độ phòng. Do lượng dòng điện tối thay đổi theo thời gian trong và giữa các lần chiếu tia và nhiệt độ của mảng đầu dò, nên các thông tin về ảnh tối trước và sau chiếu tia được dùng để mô phỏng nhiễu nền (bachground noise) trong quá trình chiếu tia. Nhiệm vụ hiệu chỉnh nền được lập trình trên thiết bị phần cứng và được thực hiện hoàn toàn tự động. Hai ảnh chuẩn này được lấy trung bình để ước lượng độ lớn của nền trong suốt quá trình chiếu tia và ảnh chiếu được hiệu chỉnh. Kết quả của quá trình hiệu chỉnh này sẽ tăng độ nhạy tương phản (contrast sensivity) của hệ thống và sự ổn định giữa các lần chiếu.

2  Công nghệ CCD (Charge Coupled Device): DR gián tiếp

            Trong phương pháp này, năng lượng tia X được chuyển thành tín hiệu điện thông qua ánh sáng. Đầu dò sử dụng màn photpho hay tinh thể nhấp nháy CsI để biến năng lượng tia X thành ánh sáng. Ánh sáng này có thể được hấp thụ bởi các photodiode (hình 5)  để tạo ra các tín hiệu điện. Tuỳ theo cường độ tín hiệu điện thu được mà máy tính sẽ số hoá để cho hình ảnh tỉ lệ với cường độ tia X chiếu tới đầu dò. Quá trình tạo ảnh và đọc ảnh hoàn toàn giống với loại đầu dò a-Se.

           

Hình 4. Đầu dò DR gián tiếp của VIKOMED

III.  SO SÁNH GIỮA DR VÀ CR

DR – Digital Radiography	CR – Computed Radiography
Cho ảnh Xquang số trực tiếp. Có thể chụp liên tục không cần xóa. Không cần casette, có thể ghi tên bệnh nhân trực tiếp. Cho ảnh ngay sau khi chụp. Bản cảm ứng cố định chỉ dùng được với 1 máy Xquang. Là hệ thống hiện đại, gọn nhẹ. Chi phí cao.	Cho ảnh gián tiếp sau khi đưa cassette qua máy quét lazer Ngoài casette, có thêm máy quét, máy ghi lý lịch bệnh nhân. Chậm hơn DR về thời gian cho ảnh (có thể đến 90 lần) Đa năng hơn vì chụp được ở nơi khác rồi mang về trung tâm xử lý. Hệ thống cần nhiều máy móc đi theo. Chi phí thấp hơn.

IV. HỆ THỐNG DR CỦA KHOA CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH, BỆNH VIỆN BẠCH MAI

            Từ tháng 11 năm 2009 khoa chúng tôi đã lắp đặt 03 máy DR của tập đoàn COMED - Hàn Quốc. Chúng tôi nhận thấy hệ thống DR này ngoài các ưu điểm nói trên nó còn có các ưu điểm sau:

            + Hệ thống DR do VIKOMED sản xuất dễ dàng lắp đặt, và triển khai.

            + Phần mềm cài đặt nhanh chóng, giao diện thân thiện với người sử dụng. Dễ dàng trong việc xử lý hình ảnh như thay đổi độ tương phản, độ sáng, phóng to thu nhỏ cùng các công cụ đo góc và khoảng cách... tiện lợi tối ưu cho bác sĩ trong quá trình chẩn đoán.

Giao diện xử lý ảnh

So sánh film cổ điển và film kĩ thuật số:

Film chụp ngực X-quang cổ điển         Film chụp ngực X-quang kĩ thuật số

           

            Như vậy chỉ trong thời gian khoảng 3 giây ta đã có ảnh Xquang kĩ thuật số và khoảng 1 phút nữa để tiến hành in phim và trả kết quả cho bệnh  nhân. Ngoài ra phần mềm này còn có thể sử dụng để in 2, 3 hay 4 kiểu ảnh Xquang trên cùng một phim.

            Với cấu trúc như trên có thể thấy được Hệ thống DR-CCD của VIKOMED có tuổi thọ gần như vĩnh cửu, đơn giản trong bảo trì và bảo dưỡng, các CCD có thể thay thế một cách dễ dàng.

V. KẾT LUẬN

Chụp Xquang số hóa là một giải pháp hữu ích trong chẩn đoán hình ảnh, cho hình ảnh trực tiếp, rõ nét, đẹp, không cần cassette, lưu trữ hình ảnh được lâu dài và với số lượng lớn, do vậy rất thuận tiện cho việc nghiên cứu cũng như tra cứu... Nhưng do

TÀI LIỆU THAM KHẢO

   1. Xquang số hóa trực tiếp công ty VIKOMED.

   2. The Radiologic Clinics of North America. March 1986. Use of Computers in Radiology. Vol. 24(Number 1) March 1986.

giá thành  hệ thống máy và giá thành một lần chụp còn cao nên việc áp dụng phổ cập cho các tuyến y tế của Việt Nam còn hạn chế.