Sáng hôm nay trời trong và mát rượi. Mặt trời cũng bắt đầu nhú lên từ phía cuối chân đồi, thắp sáng sắc màu lộng lẫy cho rừng cây đang thay lá chuyển mùa. Với tình trạng bệnh dịch năm nay, thời gian hình như “bò lết”! Từng bước. Rồi từng bước. Chầm chậm. Đôi lúc nặng nề. Mỏi mệt. Ngày trở nên dài và năm tháng như chần chừ không muốn bước qua!? Tôi ngồi trên ban công nhà nhìn xuống bờ hồ. Lảng vảng đó đây vài con thuyền nhỏ thấp thoáng bóng người. Họ đến đây để câu cá hay để “thoát ly” cái không khí ngột ngạt trong nhà vì “lockdown”? Ngoại trừ vài tiếng lá rơi và cành cây lung linh trong bầy gió lạ, bầu không khí ở đây thật êm lặng. Một sự êm lặng dị thường và “quyến rũ”! Tôi hớp từng ngụm trà. Thưởng thức hương vị trà xanh Thái Nguyên còn tỏa hơi nóng thơm phức, nghĩ về những diễn tiến trong đời, những chênh vênh thân phận và duyên số. Những rủi may. Những thăng trầm lẫn lộn. Nhớ quay quất những quãng đời cật lực tìm sống. Những con người tôi đã gặp. Những khuôn mặt có xa lạ, có thân quen. Những thành phố một lần tôi đã sống. Đã đi qua. Hạnh phúc vỡ òa. Tôi chợt mỉm cười. Giữa đất trời nồng ấm bao la!

Thu về lá đổi sắc màu trước cửa/ Mặt hồ yên như trầm lặng tự bao giờ./ Gió nhẹ nhàng mơn trớn ước mơ/ Như ấp ủ, vuốt ve chào đón mùa thu tới!/ Những thành phố tôi đi qua giờ chắc nhiều đổi mới?!/ Những mảng đời oan trái vấn vương/ Những con người với tình tự thân thương/ Vất vưởng, lang thang trong phố phường rực sáng.

1. Cơ duyên và hoàn cảnh thuận lợi

Trong cuộc sống cá nhân cũng như trong nghề nghiệp, hình như có một sợi dây vô hình nào đó trói buộc số phận của mỗi con người!? Lúc còn làm ở ARCO (miền nam California), mặc dù công tác chính của tôi là về màn mỏng pin mặt trời; nhưng hiển thị hình phẳng (flat panel displays) cũng rất hấp dẫn đối với tôi vì lãnh vực này còn mới, và theo tôi có nhiều triển vọng tốt. Ưa thích đến nỗi tôi và một đồng nghiệp dự định mở hãng riêng với tiền tài trợ của một số nhà đầu tư vào năm 1984! Nhưng bị thất bại vì sự xung đột quyền lợi về bằng sáng chế với hãng ARCO. Hơi thất vọng và cảm thấy bị “bế tắc”, sau khi thảo luận với nhà tôi, chúng tôi quyết định “tạm xa lánh” Cali một thời gian để “lấy lại” tinh thần và nghị lực, rồi trở về lại “vùng biển xanh tràn nắng ấm” vài năm sau đó. Tôi về làm việc ở hãng 3M (Minnesota) trong chương trình hợp tác nghiên cứu pin mặt trời giữa 3M và Solar Energy Research Institute SERI ở Colorado (giờ là Solar Renewable Energy Laboratory; đây là cơ quan nghiên cứu của Bộ Năng Lượng Mỹ). Vài năm sau, sự hợp tác giữa 3M và SERI chấm dứt. Và tôi cũng bắt đầu nghiên cứu về hiển thị hình phẳng dùng chất vô tinh thể silic (amorphous silicon) và đa tinh thể silic (polysilicon) transistors. Rồi số phận dun rủi đưa tôi đến digital radiography, một lãnh vực rất mới mẻ mà tôi chưa bao giờ nghĩ đến; nhưng lại hài hòa và trùng khít với căn bản về kỹ thuật tôi đang có.

Dưới đây là những yếu tố chánh (chủ quan lẫn khách quan) đã đưa tôi đến công tác nghiên cứu đề tài khá hấp dẫn này:

(i) Vào thập niên 80’s và đầu thập niên 90’s, môi trường nghiên cứu của hãng 3M rất thuận lợi. Trung tâm nghiên cứu (cũng có tên 3M Campus) ỏ Maplewood, Minnesota có trên 12 ngàn nhân viên và được vận hành với tinh thần rất cởi mỡ. Mọi người được khuyến khích dùng 15% thời gian, vật liệu và thiết bị của hãng để nghiên cứu những thứ gì mình thích. Không có rào cản nào giữa các phòng nghiên cứu. Mọi người tự do trao đổi ý kiến và hợp tác với nhau giống như môi trường đại học hay một viện nghiên cứu quốc gia.

(ii) 3M có một lịch sử lâu dài về chế tạo sản phẩm liên quan đến chụp quang tuyến X dùng trong radiography và máy copy dùng chất quang dẫn (photoconductor) selenium. Một số chuyên viên và cán bộ quản lý thuộc Medical Division của 3M lúc bấy giờ muốn nghiên cứu và triển khai công nghệ Imaging Plates. Công nghệ này giống như công nghệ CR (Computer Radiology) của hãng Fuji, phần khác biệt chính là 3M dùng amorphous selenium thay vì lớp quang kích thích phốtpho (photostimulable phosphor) BaFX:Eu2+ .

(iii) Tôi có kinh nghiệm về quang điốt (photodiodes), thin film transistors và chất quang dẫn selenium lúc làm công tác nghiên cứu trong lãnh vực pin mặt trời và màn hình tinh thể lõng.

(iv) Một số hãng trên thế giới nhất là ở Nhật như Sanyo và Sharp đã bắt đầu tung ra thị trường màn hình tinh thể lõng (flat panel displays) cỡ nhỏ.

(v) Và có nhiều điểm chung giữa flat panel displays và digital radiography vì cả hai đều dựa vào vô tinh thể silic tranzito (amorphous silicon thin film transistors) chế tạo trên một diện tích lớn.

(vi) Khuynh hướng chung của kỹ nghệ là “Go digital!”. Và lãnh vực y khoa cũng không nằm ngoại lệ.

Lợi dụng cơ hội “ngàn năm một thuở” này, chúng tôi viết đề án lên ban giám đốc đề nghị 3M nghiên cứu và chế tạo bộ cảm biến quang tuyến X (radiography detector ), bộ phận đầu não của digital radiography, dùng cho cả việc chụp hình X quang tuyến ngực và vú (chest và mammography). Vì phòng tiếp thị của Medical Division đã khảo sát thị trường này khá lâu, nên ban quản trị đã chấp thuận tiến hành đề án một cách tương đối dễ dàng.

2. Digital mammography

2. 1 Nhược điểm của film-screen truyền thống

Sau bệnh ung thư da, bệnh ung thư vú (breast cancer) đã trở thành nguyên nhân lớn thứ hai gây ra số lượng người chết cao trong phái nữ. Thống kê (Lanset, 2010) cho biết là có khoảng 12% phụ nữ ở Mỹ cuẩn đoán với ung thư vú ít nhất một lần trong đời và phòng bệnh chẩn đoán sớm đã giảm con số tử vong này nhất là đối với những người trên 50 tuổi (Hình 1). Ngoài ra, các bác sĩ chuyên khoa cũng cho biết đối với phụ nữ sau tuổi 40, sàng lọc ung thư vú định kỳ hàng năm sẽ giảm 30% nguy cơ tử vong.

Hình 1. Có khoảng 12% phụ nữ ở Mỹ chẩn đoán với ung thư vú ít nhất một lần trong đời và phòng bệnh chẩn đoán sớm đã giảm con số tử vong này nhất là đối với những người trên 50 tuổi (Lancet, 2010).

Nhu cầu dùng quang tuyến X để phòng bệnh và chẩn đoán bệnh ung thư vú (mammography) càng lúc càng trở nên quan trọng và thiết yếu. Phương pháp chụp quang tuyến vú truyền thống dùng phim cảm quang halogenua bạc (silver halide photosensitive film) và phốtpho (intensifying screen) chứa trong một hộp cát xét (Hình 2a). Hình quang tuyến X đạt được sau khi rửa ảnh ẩn (latent image) sẽ được đặt trên mặt của hộp ánh sáng (light box) để bác sĩ X quang (radiologist) quan sát và chẩn đoán (Hình 2b and 2c). Phương pháp truyền thống này rất thông dụng trong nhiều thập niên; nhưng gặp phải những khó khăn cần phải được cải thiện: (i) Theo quy định của Hội Y khoa Hoa Kỳ, nhân viên y tế và bệnh viện có trách nhiệm pháp lý phải tồn trữ hình quang tuyến X ít nhất là 7 năm; điều này gây nhiều tốn kém trong việc bảo trì nơi cất giữ và di chuyển; (ii) thời gian từ lúc chụp hình, rửa phim đến khi có hình để bác sĩ X-quang xem khá dài; thường mất khoảng 30 phút hay nhiều hơn nữa; (iii) thường phải chụp vài lần để lấy đúng lượng quang tuyến X (quá nhiều vs quá ít) để có hình ảnh rõ nét thích hợp cho việc chẩn đoán. Nên nhớ là trong lãnh vực chụp hình X-quang, chất lượng của hình quang tuyến X rất quan trọng, ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả sự chẩn đoán của bác sĩ X-quang; (iv) tỉ số dương tính giả (false positive) trong đường cong biểu thị ROC (Receiver Operating Characteristic curve) tương đối cao.

Hình 2. (a) Cấu trúc của analog film/phosphor screen truyền thống; (b) Bệnh nhân đứng giữa ống quang tuyến X và film/screen. Ẩn hình (latent image) được thu trên lớp cảm quang halogenua bạc (silver halide) nằm trong hộp cát xét và (c) phim sau khi hình quang tuyến X rửa và phơi khô được trưng bày trên chiếc hộp ánh sáng đê bác sĩ X-quang khảo sát và chẩn đoán bệnh lý của bệnh nhân. (Tài liệu của Hologic& Tran)

Một điều nữa không kém phần quan trọng là vào cuối thập niện 70’s đến giữa thập niên 80’s, khuynh hướng chung của các Department of radiology là “đi về digital” để tăng chất lượng và năng xuất. Những thiết bị trong Khoa radiology như chụp hình cắt lớp dùng máy tính (computed tomography), siêu âm (ultrasound), y khoa hạt nhân (nuclear medicine), ảnh hóa cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging), chụp x-quang mạch máu (substraction angiography) đều dùng phương thức digital. Muốn thực hiện điều này, tất cả các thiết bị chẩn đoán đều phải digital hóa; trong khi đó chụp hình quang tuyến X thì vẫn còn dùng dạng thức analog từ nhiều thập niên qua và Computed Radiology (CR) bắt đầu digital từ giữa năm 1980. Thế nên, nhu cầu thiết yếu và cấp bách trong cộng đồng y khoa là digital hóa hệ thống chụp hình quang tuyến X (DR) nhằm hữu hiếu hóa các dịch vụ của Department of radiology (Hình 3b).

Hình 3. (a) Tiến độ của bộ cảm biến quang tuyến X từ hệ film/screen truyền thống (hình bên trái) qua hệ CR, rồi CCDs (hình giữa) đến direct radiography (DR, hai hình bên phải). Vì độ phân tán ánh sáng của bộ cảm biến DR thấp, nên hình rõ nét hơn và độ phân giải cao hơn film/screen truyền thống hay những bộ cảm biến khác như CR và CCDs ở cùng một lượng X quang. (b) tiến độ của bộ cảm biến quang tuyến X từ Analog film/screen qua CR đến DR trong năm thập niên qua (Kodak).

2.2 Cấu trúc của digital radiography detector

Bộ cảm biến quang tuyến X (digital radiography detector) là đầu não của hệ thống DR. Vì hình quang tuyến X được gửi ngay đến màn hình có độ phân giải cao (mà không phải qua công đoạn rửa phim) để bác sĩ quan sát và chẩn đoán nên quy trình này có cái tên là direct radiography (hay DR). So với hệ thống chụp X-quang truyền thống, hệ thống DR có nhiều lợi điểm về độ phân giải, thời gian xử lý hình, và giảm thiểu số lần chụp lại như thể tóm tắt ở Hình 4.

Hình 4. (a) Vì vùng tuyến tính (dynamic range) của bộ cảm biến DR rộng, dịch vụ chụp hình quang tuyến X vài lần sẽ ít cần thiết hơn. (b) Thời gian lấy hình cũng giảm thiểu nhiều từ 30 phút xuống còn 10 giây và không cần phải chụp hình quang tuyến X nhiều lần (overdose vs underdose) để đạt được hình rõ nét.

Hình 4a cho thấy bộ cảm biến DR có vùng tuyến tính (dynamic range; vùng đường thẳng biểu hiện sự quan hệ giữa mật độ quang học và lượng quang tuyến X) rộng hơn nhiều so vời film/screen truyền thống. Thế có nghĩa là một thay đổi nhỏ về lượng X quang sau khi xuyên qua cơ thể của bệnh nhân có thể cảm biến và vì thế mật độ biến đổi có thể quan sát trên màn hình của hệ DR, trong khi đó film/screen không thể phát hiện được sự khác biệt nhỏ này. Với hệ thống DR, thời gian từ lúc chụp hình đến khi hình hiện lên màn hình mất khoảng 10 giây thay vì 30 phút như trong trường hợp chụp hình film/screen truyền thống. Hệ thống DR cũng giảm thiểu được rất nhiều diện tích kho tồn trữ và phí tổn di chuyển hình quang tuyến (Hình 4b) .

Hệ thống cảm biến DR không dùng film và screen nhưng dùng một chất cảm quang (ánh sáng hay chùm X quang) phủ trên hàng triệu tranzito (transistors) trải trên một mặt nền có kích cỡ 14”x17” tới 17”x17” (dùng trong chest radiography) và 8.5”x10” (mammography). Mỗi tranzito đi đôi với một điểm ảnh (pixel-tương đương với một giếng điện tích- well of charge có kích cỡ khoảng 70 µm x 70 µm đến 139 µm x 139 µm, tùy theo ứng dụng ). Mỗi tranzito vận hành như một cái khóa điện tử có thể đóng mở để truyền tải điện tích. Cứ tưởng tượng những khóa điện tử này giống như vòi nước dùng trong nhà, có thể mở đóng tùy thích đề điều chỉnh lượng nước (điện tích) đến từ mỗi giếng nước (Hình 5b). Lượng điện tích này tỉ lệ với lượng quang tuyến X được dẫn đến các mạch điện chung quanh trang bị với shift register (bộ ghi dịch), A/D converter (bộ biến đổi A/D), tạo thành hình trên monitor để bác sĩ X quang quan sát và chẩn đoán. Hệ thống DR này còn có computer- aided -diagnosis (CAD) để giúp bác sĩ X quang trong việc phân tích hình ảnh quang tuyến hữu hiệu hơn, ngõ hầu giảm thiểu những trường hợp với dương tính giả (positive false) trong ROC. Hình 5d 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. Lượng tử (photons) của X-quang sẽ chuyển thành điện tích (direct conversion).

Hình 5. Cấu trúc của bộ cảm biến DR: (c) cấu trúc của bộ cảm biến DR với amorphous silicon photodiode/transistor (pixel level) và chất phát sáng (scintillator) Cesium iodine hợp với tạp chất thallium(CsI:Tl) hay chất phốtpho gadolinium oxide sulfide với tạp chất Terbium (GdOS:Tb); (d) cấu trúc của bộ cảm biến DR với amorphous silicon transistors /chất quang dẫn selenium ; (a) độ phân tán ánh sáng (light scattering) ít hơn trong trường hợp chất quang dẫn selenium và (b) mỗi transistor vận hành giống như một cái khóa điện tử (hay vòi nước) có thể đóng hay mở để cho điện tích từ giếng điện tử được tải đến hệ thống mạch điện chung quanh (Kodak & Tran).

Hình 5c biểu hiện một dạng thức khác của bộ cảm biến DR khi chất cảm biến là cesium iodine thêm với tạp chất thallium (CsI:Tl) hay gadolinium oxysulfide thêm với tạp chất terbium (GdOS:Tb) để biến X quang thành quang phổ nhìn thấy. 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 dùng vô định hình silic tranzitor như cái khóa điện tử (indirect conversion). Hình giữa là bộ cảm biến với tinh thể silic CCD’s; ở đây chùm sợi quang (fiber opic) hay thấu kích hội tụ (optical lens) cần thiết để chuyển đổi ánh sáng đến dàn hàng CCD’s vì tầm kích của tấm nền tinh thể silic nhỏ hơn diện tích của tấm cát xét dùng để chụp hình quang tuyến X. Hình kế bên trái là hệ CR (computed radiography) với hai công đoạn : chụp hình quang tuyến X qua quang kích thích phốtpho (photostimulable phosphor) BaFX: Eu2+ (X=Br,Cl or I), và đọc lượng điện tích dùng tia laze (laser). Cả hệ CCD và CR hoặc không có độ cảm biến cao như hệ DR hoặc đòi hỏi nhiều thì giờ hơn để tích trữ và chuyển đạt điện tích (Hình 3a). So với hệ thống quang tuyến X truyền thống, quang phổ (indirect conversion) hay X quang (direct conversion) trong hệ thống DR ít bị phân tán, vì thế hình sẽ sắc nét hơn, và độ phân giải cao hơn. Điều này rất quan trọng đối với công tác sàng lọc, chẩn đoán và phòng ngờ bệnh ung thư vú của bệnh nhân vì lượng quang X nhỏ (khoảng 0.01 mR đến 100 mR). Hình 6 là một thí dụ vật lý điển hình nhằm cắt nghĩa rõ hơn về hiệu quả này: Ở cùng một lượng quang tuyến X, sự phân tán ánh sáng (hay tia X) ít sẽ cho nhiều photons; đưa đến hình rõ nét hơn với độ phân giải cao hơn.

Hình 6. (a) So với hình bên trái (nơi lượng quang tử-photons ít nhất), hình cũa GS Einstein ở bên phải rõ nét hơn nhiều vì lượng quang tử nhiều hơn; (b) trường hợp tương tự đối với hình chụp X quang tuyến vú. Đường sát da của bầu vú cũng có thể thấy được ở hình vú bên trái nhờ lượng quang tử cao ở cùng một độ quang tuyến X với hệ 2D (tài liệu từ Hologic).

2.3 Từ digital radiography sang digital mammography

Hình chụp quang tuyến X thuận lợi cho việc chẩn đoán lâm sàng ngực (chest radiography) và vú (digital mammography). Như đã trình bày ở phần 2.2, bộ cảm biến dành cho X quang tuyến vú có tầm kích khoảng ¼ bề mặt của bộ cảm biến dành cho X-quang tuyến ngực (8.5”x10” so với 17”x17”). Thế nên chế tạo trên một tấm nền nhỏ hơn sẽ dễ dàng hơn với hiệu xuất sản lượng cao hơn. Thêm vào đó, lượng quang tuyến X thấp hơn (thường thường 24kV-32 kV dành cho việc chẩn đoán vú so với 60-75 kV dành cho ngực) , nên chiều dày của màn cảm biến sẽ mỏng hơn, đưa đến độ phân giải cao. Đứng trên quan điểm sản xuất và nhu cầu, chúng ta có thể xác định là digital mammography có nhiều ưu thế hơn chest radiography. Thế nên, nhiều hãng như Hologic, General Electric, Siemens chú tâm nhiều hơn trong việc đưa hệ DR dành cho mammography này ra thị trường.

2.4 “Direct conversion” DR có lợi thế hơn “indirect conversion” DR

Bộ cảm biến DR (direct radiography) dùng trong việc chụp X quang tuyến vú dựa vào một trong hai cấu trúc: (i) amorphous silicon photodiode/transistor (pixel level) và chất phát sáng (scintillator) cesium iodine hợp với tạp chất thallium (CsI:Tl) hay chất phốtpho gadolinium oxide sulfide với tạp chất terbium (GdOS:Tb) (indirect conversion) (Hình 5c) và (ii) amorphous silicon transistors /chất quang dẫn amorphous selenium (direct conversion) (Hình 5d). “Direct conversion” ở đây liên quan đến quy trình biến đổi trực tiếp X quang thành điện tích qua amorphous selenium; trong khi đó “indirect conversion” đề cập đến quy trình biến đổi X quang sang quang phổ, rồi lượng quang phổ đổi thành điện tích qua một dàn hàng quang điốt (indirect conversion). Chúng tôi là những người đầu tiên giới thiệu cấu trúc “direct conversion” DR đến cộng đồng khoa học. Theo thiển ý của người viết, trong việc chụp X quang tuyến vú (digital mammography), “direct conversion” DR có lợi thế hơn “indirect conversion DR” về hiệu xuất sản lượng và độ phân giải vì những điểm sau: (i) chỉ cần một lớp mỏng amorphous selenium mà không cần hàng triệu quang điốt-có thể ảnh hưởng đến hiệu xuất sản lượng; (ii) chiều dày của chất quang dẫn amorphous selenium mỏng hơn (50 µm) thay vì 500 µm (chest).

Sau một khoảng thời gian dài làm việc, chúng tôi đã thành công trong công tác nghiên cứu và triển khai với nhiều bằng sáng chế liên quan đến hệ DR dùng cho cả X-quang tuyến ngực và digital mammography (cả “direct conversion” và “indirect conversion”). Hãng chúng tôi đã cấp bản quyền cho môt số hãng để chế tạo sản phẩm trên thị trường [1-7]. Cũng nhờ gặp phải “thời vận” tốt, chúng tôi được may mắn nằm trong nhóm những người tiên phuông góp phần vào việc phát triển kỹ thuật quan trọng này!

3. Lời kết

Bắt đầu vào thập niên 90’s, DR dần dần thay thế film/screen truyền thống trong vai trò của bộ cảm biến dùng trong hệ thống chụp hình X quang tuyến vú. Vì hiệu quả phân tán ánh sáng ít và vùng tuyến tính rộng, hình của hệ thống DR sắc nét hơn với độ phân giải cao hơn. Thêm vào đó, thủ tục tầm soát và chẩn đoán ngắn gọn, thường ít phải chụp lại để lấy đúng lượng X-quang thích hợp, thời gian lấy hình nhanh hơn và tổn phí thấp hơn đã làm cho DR trở nên thuận lợi cho bác sĩ, y tá, bệnh viện và nhất là bệnh nhân. Hiện tại, một số lớn các bệnh viện trên thế giới dùng hệ thống DR trong việc sang lọc, chẩn đoán và phòng bệnh ung thư vú của nữ giới, nhất là những người ở cái tuổi trên 40. Trong số tới, chúng tôi sẽ trình bày về 3D mammography (chụp quang tuyến vú ba chiều hay thường dược biết là digital breast tomosynthesis). Công nghệ 3D này thuận lợi cho những phụ nữ có mô tuyến vú (tissue) dày và nhiều mỡ với triển vọng khám phá những u vú sớm, vì thế có thể phòng ngờ bệnh ung thư vú với hiệu quả cao hơn hệ 2D tiêu chuẩn.

4. Tài liệu tham khảo

[1] N.T.Tran and J.C.Dahlquist, “Solid state radiation detector”, US 5,420,452

[2] N.T.Tran, N.W.Loeding and D.V.Nins, “Solid state electromagnetic radiation detector FET array”, US 5,182,624

[3] N.T.Tran, “Process for producing a large area solid state radiation detector”, US 5,254,480.

[4] N.T.Tran, “Radiation detector and fabrication method”, US 5,942,756.

[5] N.T.Tran, Joseph Y. Pai and Choon-Woo Kim, “Solid state radiation detector having tiles photosensitive detectors arranged to minimize edge effects between tiles”, US 5,545,899.

[6] N.T.Tran, Proceedings, 4th Annual Worlwide Scientific Conference, Information and Imaging Technologies Sector, 3M, Interlaken, Switzerland, October 14-19, 1990.

[7] N. T. Tran, The Third Solid State Systems Symposium VLSI and Semiconductor Related Technologies 2014 (Invited paper).

October 2020