1. Sự phát minh máy chụp cắt lớp vi tính

1.1 Vài nét tổng quát về máy chụp cắt lớp vi tính

Một trong những sự khác nhau chính giữa CT và digital breast tomosynthesis (DBT)- công nghệ mà chúng tôi trình bày trong những bài viết trước-  là nguồn X-quang quay 360 độ trong trường hơp của CT; trong khi đó với DBT, nguồn X-quang chỉ quay  một vòng cung 15-25 độ . Về lượng bức xạ tia X, chụp cắt lớp vi tính có nhiều phóng xạ hơn chụp X-quang, nhưng nói chung liều lượng khá thấp không đến nỗi có thể gây nên bệnh ung thư, bệnh bạch huyết cầu hay gây ảnh hưởng không tốt cho cơ thể. Ở một số trường hợp cần dùng thuốc cản quang trong lúc chụp CT, bệnh nhân có thể có những dị ứng như cảm giác nóng bừng, nhức đầu, khó chịu hay miệng cảm thấy đắng; nhưng những dị ứng này thường biến mất một thời gian ngắn sau khi chụp xạ hình.

 Chợt thoáng nhìn, máy vi tính như một cái vòng tròn lớn (hay còn gọi là bánh rán) có đường kính khoảng 60-70 cm. Bên trong là một chiếc bàn dài cho bệnh nhân nằm giữa nguồn phát tia X và một dãy bộ cảm biến X-quang (đôi khi gọi là đầu dò). Trong quá trình  chụp CT, bệnh nhân được hướng dẫn đến nằm trên một chiếc bàn.  Máy quét CT gửi tia X qua cơ quan cần chẩn đoán. Mỗi vòng quay của máy quét cung cấp hình ảnh của một lát mỏng. Tất cả dữ liệu chụp được qua nhiều lát sẽ được kết hợp lại và dùng để tái tạo hình ảnh của cơ quan trong cơ thề bằng máy vi tính. 

 1.2 Ban nhạc “The Beatles” và sự ra đời của máy chụp cắt lớp vi tính

Đây là một đề tài khá thú vị liên quan đến mối dây liên hệ giữa một ban nhạc nổi tiếng nhất thế giới vào thập niên 60’s và một phát minh lớn trong lãnh vực xạ hình y khoa (medical imaging). Câu chuyện xảy ra  như thế này: Abbey Road Studios thuộc hãng Electric and Music Industries (EMI) là nơi thu băng và đưa ban nhạc The Beatles (Hình 1, phía trên) lên hàng những ngôi sao sáng hàng đầu trong vòm trời âm nhạc của thế giới. Hãng này dùng số tiền bán đĩa nhạc của ban nhạc “The Beatles” như “Can’t Buy Me Love”, “PS I Love You”, “Love Me Do”  để tài trợ đề án nghiên cứu có cái tên là “ The EMI Scan”. Vô tình chung, sự  thành công của “The Beatles”  đã đưa đến sự phát minh CT quan trọng này (Hình 1). Đúng là một sự kết nối ngẫu nhiên và hài hòa giữa âm nhạc và khoa học hiếm có trong lịch sử!

 1.3 Vài nét về Sir Godfield Hounsfield  (1919-2004)

Hounsfield sinh ra ở Sutton-on-Trent, Nottinghamshire, Anh Quốc vào năm 1919. Ông rất thích mở ráp những bộ phận điện và cơ khí ngay từ khi còn nhỏ. Vì sống trong  gia đình nhà nông, nên ông cũng thường tu sửa máy móc khi cần. Ông gia nhập Không Lực Hoàng gia Anh ngay trước khi Đại chiến Thứ Hai bùng nổ; ở đó ông được huấn luyện về cơ bản điện tử và ra đa.  Sau khi chiến tranh chấm dứt, ông đi học trở lại và tốt nghiệp về nghành điện ở Faraday House Electrical Engineering College ở London. Ông đến làm việc cho hãng Electrical and Musical Industry (EMI) từ năm 1951. Ở đây ông tham gia vào công tác nghiên cứu về hệ thống dẫn hướng ra-đa (guided radar system). Ông cũng bắt đầu quan tâm đến lãnh vực điện toán từ năm 1958; và giúp lắp đặt máy điện tóan dùng toàn tranzito; sản phẩm này được đưa ra thị trường dưới cái tên EMIDEC. University of London trao ông bằng tiến sĩ  danh dự vào năm 1975 về phát minh CT. Từ năm 1986 trở đi, ông làm cố vấn cho Thorn EMI Limited Central Research [1,2].

Hình 1. Vô tình chung, ban nhạc “The Beatles” (hình trên, từ trái sang phải: Paul McCartney, John Lennon, Ringo Starr và George Harrison) đã cung cấp nguồn tài trợ cho sự nghiên cứu và phát minh máy chụp CT của TS Godfrey Hounsfield (hình dưới bên trái).  GS Allan Cormack, Tuffs University ở Mỹ (hình dưới, bên phải) cũng phát biểu độc lập công trình nghiên cứu tương tự (Google Images). 

1-4  Về phát minh CT

 Theo ông Hounsfield, ý tưởng về CT đến với ông trong thời gian ông đi nghỉ mát. Lúc đó, ông muốn tìm  một phương pháp để khảo sát nội dung trong một chiếc hộp dùng  hình ảnh X-quang 3D. Ông dự tính thực hiện  điều này bằng cách dàn dựng lại hình ảnh trong chiếc hộp qua sự tổng hợp của nhiều lát hình (slices).  Với tài trợ của hãng EMI, nhóm của ông đã thành công trong việc thiết lập thành công mẫu hình thử nghiệm (prototype)  CT dưới tên Brain Scanner (Hình 2, bên trái).  Nhằm đưa Brain Scanner lên hàng những công cụ chính trong lãnh vực xạ hình y tế, ông tiếp xúc với James Ambrose, một bác sĩ của Bệnh viện Atkinson’s Moley, và cố gắng thuyết phục ông này làm cố vấn trong việc  chế tạo máy chụp CT để dùng trong việc chẩn đoán bệnh nhân.  Lúc đầu Ambrose từ chối vì cho rằng những gì Hounsfield đang làm là viễn vông; nhưng sau cùng cũng đồng ý. Hounsfield dùng Brain Scanner để khảo sát những bộ phận sinh học (organs) được bảo quản  của con người và súc vật. Và bệnh nhân đầu tiên được chẩn đoán dùng  EMI Brain Scanner là một người phụ nữ bị ung thư não; và hình não bộ được biểu hiện ở Hình 2 (bên phải). Bác sĩ dùng bộ máy scanner đầu tiên trên thế giới  (Hình 3) chính  là James Ambrose vào ngày 1 tháng 10 năm 1971 tại bệnh viện Atkinson’s Moley (Hình 4).  Mỗi lần quét (scan) mất khoảng 5 phút trên một ma trận (matrix) 80x80 điểm ảnh. Cần khoảng 9 tiếng đồng hồ để càn quét mỗi lát và vài ngày để hoán tất quy trình tái tạo xạ hình của não với những dữ liệu đạt được.  Vào năm 1968 Hounsfield nhận được bằng sáng chế về CT ( UK Patent No. 1283915) với tựa đề  "A Method of and Apparatus for Examination of a Body by Radiation such as X or Gamma Radiation".

Hính 2. Mẫu hình thử nghiệm của EMI Brain Scanner (hình bên trái). Bác sĩ James Ambrose chẩn đoán dùng  CT  Scanner đầu tiên trên thế giới để chẩn đoán bệnh ung thư não của một người phụ nữ vào ngày 1 tháng 10 năm 1971 (hình bên phải) [3]. 

Sư thành công của CT Scanner ở Atkinson Morley Hospital  sau đó được báo cáo trong cộng đồng y khoa vào nằm 1973. Khảo sát lâm sàng với máy chụp CT đầu tiên tại Mỹ được thực hiện tại Mayo Clinic ở Mỹ vào năm 1973. CT Scanner đầu tiên được tung ra thị trường , dưới tên EMI CT1000 dùng để chụp hình đầu (Hình 5 và Hình 6). Vào năm 1975, EMI đưa ra thị trường CT 5000 dùng để chụp toàn cơ thể; máy này được thiết lập tại Bệnh viện Northwick Park ở  thành phố London. Vào tháng 10 cùng năm, một máy CT tương tự được thiết lập tại Mallinkrodt Institute. So với máy chụp CT đầu tiên của EMI, thời gian quét (scan time) đã giảm xuống từ  5 phút xuống còn 20 giây với một ma trận gồm 320x320 điểm ảnh . Sau thí nghiệm lịch sử này và nhờ sự phát triển của máy vi tính , công nghệ chụp hình cắt lớp đã tiến bộ khả quan với nhiều hãng tham gia: 16 hãng chế tạo máy CT vào năm 1976, với hơn 200 máy scanners tại Mỹ vào  năm 1978.

Vào thập niên 80’s, thời gian quét giảm xuống còn 3 giây và kích thước ma trận (matrix sizes) cũng tăng lên đến 1,024 x 1,024 điểm ảnh; và số hình CT scans đã đạt tới con số ba triệu [4-6].  Máy quét hình xoắn ốc (spiral scanners) và máy quét nhiều lát (multi-slice scanners) cũng phát triển mạnh vào thập niên 90’s.

Hình 7 biểu hiện một máy cắt lớp vi tính của Canon, đại biểu cho sự phát triển nhanh chóng của máy chụp cắt lớp vi tính trong giai đoạn này.

Hình 3. Máy chụp CT lịch sử đầu tiên do EMI chế tạo [3].

Hình 4. Bác sĩ James Ambrose (người bên phải) với tiến sĩ Godfrey Hounsfield
(Hình chụp vào ngáy 1 tháng 10 năm 1971, Google Image) 

Hình 5. Godfrey Hounsfield đứng bên cạnh máy chụp cắt lớp vi tính
đầu tiên trên thế giới EMI CT 1000 [4]

Hình 6. Tạp chí quảng cáo sản phẩm chụp CT của hãng EMI Medical
 với chữ ký của tiến sĩ Hounsfield  ở góc trên phía bên phải [7]. 

Hình 7. Một máy chụp cắt lớp vi tính hiện đại:
Aquilion Precision CT Scanner (Canona Medical Systems ) [8]. 

2. Chụp hình X- quang cắt lớp vi tính

Chụp hình X-quang cắt lớp vi tính có thể dùng để khảo sát bất kỳ các bộ phận nào trong cơ thể con người. Chẳng hạn như chụp sọ não (Hình 8 ) để xác định nguyên nhân của đột quỵ hay chấn thương đầu, phát hiện và xác định vị trí của khối u, chụp hình ảnh của ngực (Hình 9 ) để khảo sát phổi, tim, động mạch, chụp  bụng để khảo sát viêm ruột, nhiễm trùng, và chụp  gan và đường tiết niệu.

So với chụp X-quang thông thường, chụp CT cho hình rõ nét hơn , đặc biệt là hình mô mềm trong cơ thể.  Khả năng tạo cấu trúc 3D nhằm giúp công tác chẩn đoán và sàng lọc của bác sĩ X-quang (hay còn gọi là bác sĩ chẩn đoán xạ hình) được hiệu quả hơn. Một lợi điểm nữa là hình ba chiều 3D hay có thể triển khai đến 4D (với thời gian và sự di động) hay 5D (với động lực học chất lưu /fluid dynamics và lưu lượng máu) trở nên một công cụ tiện lợi trong  việc giảng dạy ở các trường đại học y khoa hay các viện nghiên cứu (Hình 10).  

Hình 8. Hình ảnh cắt lớp não với  máy chụp cắt lớp vi tính  [4].

Hình 9. Hình cắt lớp phổi với  máy chụp cắt lớp vi tính  [4].

Hình 10. Hình ảnh của máy chụp cắt lớp vi tính:  4D (với thời gian- sự di động-như ở nội soi huỳnh quang fluoroscopy) and 5D (với động lực học chất lưu và lưu lượng máu) [9-10]. 

3. Kết từ

Từ khi máy EMI CT 1000 ra đời vào năm 1972, kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính đã tiến bộ một cách rất khả quan  nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử và điện toán. Chụp cắt lớp vi tính có thể được sử dụng để nghiên cứu tất cả các bộ phận của cơ thể từ đầu đến chân, chẳng hạn như ngực, bụng, xương chậu hoặc cánh tay hoặc chân. Máy chụp CT này cũng có thể chụp các cơ quan khác như sọ não, tim, gan, thận , xương và mạch máu. Ở một số trường hợp, thuốc nhuộm (thuốc cản quang) được đưa vào tĩnh mạch để cho bác sĩ X-quang có thể quan sát dễ dàng hơn. Nội soi huỳnh quang (fluoroscopy) cũng có thể sử dụng để bác sĩ X-quang  có thể quan sát chuyển động của các bộ phận bên trong cơ thể.

Trong bài viết tới, chúng tôi sẽ trình bày về các giai đoạn phát triển của máy chụp cắt lớp vi tính từ thế hệ thứ nhất  đến thế hệ thứ bảy và có thể những thề hệ kế tiếp dựa vào những thành công vượt bực của kỹ thuật và khoa học.  

4. Tài liệu tham khảo

[1] K.B. Bhattacharya : Ann Indian Acad Neurol. 2016 Oct-Dec; 19(4): 448–450.

 [2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5144463/

[3] Source: Lukas Miksik, KZMFN Motol

[4] https://catalinaimaging.com/history-ct-scan/

[5] Bhattacharyya KB. Eminent Neuroscientists: Their Lives & Works. Kolkata: Academic Publishers; 2011. [Google Scholar]

[6]  Godfrey N. Hounsfield – Biographical. Nobel Media AB. 2014. Available from: http://www.nobelprize.org .

[7] Source: Prof. Adrian Thomas, British Institute of Radiology.

[8] omnia-health.com

 [9] https://benhvien16a.com/index4?act=tinchitiet&id=2084

[10] http://www.sinuswellbeing.com/blog/2014/7/4/why-are-doctors-still-using-2d-imaging-ct-an-mri-scans-when-3d-is-readily-available

January 2021