Kỹ thuật máy CT đã trải nghiệm hai bước nhảy vọt lớn: công nghệ xoắn ốc như đã trình bày ở bài viết trước [1] và công nghệ đa lát cắt mà chúng tôi sắp trình bày dưới đây. 

Từ năm 1998, xuất hiện thuật ngữ CT đa lát cắt hay CT đa dãy (multi-slice CT, thường gọi tắt MSCT). Đa lát hay đơn lát dùng để ám chỉ số hàng đơn vị cảm biến nhận tín hiệu từ phía bên ống tia X sau khi xuyên qua cơ thể bệnh nhân trong một vòng quay. Số hàng này phần lớn tương đương với số lát cắt. Thí dụ như  có bốn hàng đơn vị cảm biến nhận tín hiệu từ tia X thì chúng ta sẽ có 4 lát cắt; có 64 hàng thì được 64 lát cắt- hay gọi MSCT với 64 lát cắt. Con số lát cắt tiếp tục gia tăng theo thời gian với 128 lát cắt, rồi 256 lát cắt, 320 lát cắt, đến 640 lát cắt. Để hình dung rõ rệt hơn về lợi điểm của MSCT so với CT đơn lát cắt SSCT (single-slice CT): với CT đa dãy MSCT, chỉ cần quay một vòng bánh rán là đủ 128 lát cắt thay vì phải quay bánh rán 128 vòng để đạt được cùng con số lát cắt với CT đơn lát cắt SSCT. Điểm này rất thuận lợi trong việc giảm thiểu thời gian quét và trải rộng phạm vi ứng dụng của máy chụp CT trên nhiều bộ phận cơ thể. Nên ghi nhận ở đây là thuật ngữ MDCT (multi-detector row CT scanner hay multi-detector CT) cũng được dùng để nói vê CT đa lát cắt. Thực tế thì hai cụm từ này có thể hoán đổi nhau.  

1.  CT đơn lát  cắt vs. CT đa lát cắt

Các trục X, Y và Z trong Hình 1 dùng để tham khảo trong việc cắt nghĩa cơ cấu của CT đa lát cắt MSCT [2]. Sự khác nhau chính nhất giữa SSCT và MSCT nằm ở vị trí của những dàn hàng đơn vị cảm biến. MSCT có nhiều  kích cỡ khác nhau tùy theo hãng chế tạo máy chụp CT. Hình 2 (a-d) biểu hiện thiết kế của một hàng đơn vị cảm biến  trong SSCT và nhiều hàng đơn vị cảm biến nằm cạnh nhau dọc theo hướng chuyển dịch Z của bàn bệnh nhân  như ở cấu trúc của MSCT. Các đơn vị cảm biền trong SSCT xếp thành một hàng  dọc theo trục chuyển dịch Z (hướng di chuyển của bàn bệnh nhân), theo dạng một chiều (1D array); trong khi đó toàn bộ cảm biến di động theo hướng X nằm thẳng góc với trục Z. Trong trường hợp của MSCT, nhiều hàng của đơn vị cảm biến đặt nằm cạnh nhau dọc theo trục Z; và đơn vị cảm biến với kích cỡ nhỏ hơn (2D array). Vì thế, thay vì chỉ có một hàng đơn vị cảm biến đối diện với chùm tia X hình quạt ở SSCT; trong trường hợp của MSCT, đơn vị cảm biến dàn hàng theo ma trận 2D. Chùm tia X được chuẩn trục đủ để bao phủ chiều dày của những lát cắt liên quan và có thể điều chỉnh nhằm thích hợp với nhu cầu đòi hỏi trong việc chẩn đoán lâm sàn.

Liên quan đến vị trí của ống tia X, dàn hàng bộ cảm biến và hướng quay xoắn ốc: hướng vận chuyển của bộ cảm biến đa lát và chùm tia X theo trục X nằm thẳng góc với trục Z của bàn bệnh nhân; dàn hàng bộ cảm biến quay như chiếc đu với những góc độ khác nhau với chùm tia X nằm ở vị trí đỉnh đầu. Đơn vị  bộ cảm biến nhỏ cũng được phân chia và sắp hàng bên cạnh nhau theo hướng chuyển dịch Z của bàn bệnh nhân. Lấy một thí dụ, hệ Acquilion ONE do hãng Canon Medical Systems chế tạo máy CT có số lát cắt khác nhau (4,16, 32, 64, 256 và 640) [3-7].

Hình 1. Các trục của máy chụp cắt lớp CT: Bàn bệnh nhân di chuyển theo trục Z; trong khi đó trục Y nối kết ống tia X với bộ cảm biến và trục X nằm thẳng góc với chiều di động của bàn bệnh nhân [2] 

Figure 2. Đồ hình diễn tả sự khác nhau về thiết kế giữa một hàng đơn vị cảm biến và nhiều hàng đơn vị cảm biến nằm cạnh nhau dọc theo hướng chuyển dịch Z của bàn bệnh nhân. Cấu trúc CT với nhiều hàng gồm có đơn vị cảm biến có nhiều  kích cỡ khác nhau tùy theo hãng chế tạo máy chụp CT. Bộ phận càm biến với một hàng đơn vị cảm biến  nằm dọc theo hướng chuyển dịch Z của bàn bệnh nhân như trong trường hợp của CT đơn lát SSCT (Hình 2a, phía trên). Trong trường hợp của CT đa lát MSCT (Hình 2b, phía trên); có nhiều hàng đơn vị cảm biến được sắp xếp nằm kề bên nhau dọc theo trục di chuyển Z. Để biểu hiện rõ ràng hơn, Hình 2c và phần phía dưới của Hình a biểu hiện vị trí của một đơn vị cảm biến nằm dọc theo hướng chuyển dịch của bàn bệnh nhân. Trong khi đó, Hình 2d và phần phía dưới của Hình 2b; nhiều đơn vị cảm biến xếp theo hàng gồm có bốn hàng nhỏ nằm dọc theo trục Z với 16 đơn vị cảm biến [3-7]. 

2. Phát triển của CT đa lát cắt vào thập niên 90s

Bộ cảm biến với ma trận dàn hàng theo 2D đóng vai trò quan trọng trong CT đa lát cắt MSCT và đưa đến máy chụp cắt lớp vi tính với nhiều tính năng cần thiết và thuận lợi cho công tác chẩn đoán và sàng lọc của bác sĩ X-quang. Hình 3 (a-d) dùng để biểu hiện rõ hơn về cấu trúc của MSCT. Cấu trúc SSCT cũng được dùng ở đây để so sánh và tham khảo. Với CT đơn lát, chỉ có một hàng của bộ cảm biến tiếp nhận tín hiệu của tia X qua một vòng quay; trong khi đó với CT đa lát, có nhiều hàng tiếp nhận tín hiểu tia X trong cùng một vòng quay. Số lát cắt tương đương với số hàng nhận tín hiệu.

Hình 3. (a) Bộ cảm biến đơn lát SSCT (single-slice detector) với một dàn hàng ngang (rows) song song với trục Z (trục di chuyển bàn bệnh nhân); (b) bộ cảm biến đa lát MSCT (multi-slice detector) với nhiều hàng đơn vị cảm biến nằm cạnh bên nhau theo trục Z. Nói một cách khác, ma trận đơn vị cảm biến dàn hàng theo hai chiều; (c) lát cắt do ống tia X chuẩn trục (collimate) trên bộ cảm biến đơn lát (a); (d) ống tia X chiếu trên dàn hàng ma trận hai chiều của bộ cảm biến đa lát với những lát cắt có kích cỡ khác nhau [8-10]. 

Hình 4. Dùng để cắt nghĩa rõ hơn cấu trúc MSCT ở Hình 3(d). Các ô nhỏ màu xanh chỉ định kích cỡ hữu hiệu của đơn vị cảm biến (effective detector). Kích cỡ chiều ngang của mỗi hàng đơn vị cảm biến trong các dạng thức (a)- (d) là 1.25 mm. [8-10].

Hình 4 dùng để biểu hiện chi tiết của những lát cắt liên quan đến số lượng và kích cỡ của đơn vị cảm biến (dựa vào quad detector technology):

Hình 4(a): Chùm tia X được chuẩn trục đủ để bao phủ một độ dày 5 mm (4x1.25 mm), tương đương với 4 hàng đơn vị cảm biến; mỗi hàng (trong 4 hàng) tương đương với độ dày 1.25 mm (1x1.25 mm) của một lát cắt.  

Hình 4(b): Chùm tia X được chuẩn trục đủ để bao phủ một độ dày 10 mm (4x2.5 mm), tương đương với 8 hàng đơn vị cảm biến (8x1.25 mm=10 mm); hai hàng (trong 8 hàng) tương đương với độ dày 2.50 mm (2x1.25 mm) của một lát cắt.  

Hình 4(c): Chùm tia X được chuẩn trục đủ để bao phủ một độ dày 15 mm (4x3.75 mm), tương đương với 12 hàng đơn vị cảm biến (12x1.25 mm= 15 mm); ba hàng (trong 12 hàng) tương đương với độ dày 3.75 mm (3x1.25 mm) của một lát cắt.

Hình 4(d): chùm tia X được chuẩn trục đủ để bao phủ một độ dày 20 mm (4x5.0 mm) ,tương đương với 16 hàng đơn vị cảm biến (16x1.25 mm= 20 mm); bốn hàng (trong 16 hàng) tương đương với độ dày 5.00 mm (4x1.25 mm) của một lát cắt.  

Hình 5 biểu hiện một cách rõ ràng hơn về cấu trúc với 4 bốn đơn vị cảm biến  (quad detector technology).  

Hình 5. (a): Thiết kế dàn hàng bộ cảm biến dùng trong máy quét MSCT với 4 lát cắt: (a) Bốn đơn vị cảm biến tiếp nhận tín hiệu từ chùm tia X nằm phía trên đối diện với bộ cảm biến qua bàn bệnh nhân [10]; chùm tia X đủ rộng để bao gồm bốn lát cắt  có những độ dày khác nhau [6]. (b): Thiết kế dàn hàng bộ cảm biến dùng trong máy quét MSCT với 16 lát cắt ở giữa có kích cỡ khác nhau của GE (20mm chiều dài), Philips/Siemens (24 mm chiều dài) và Toshiba (32 mm chiều dài). 

Hình 6. Kỹ thuật Quad Detector  vớ bốn hệ thu nhận số liệu (DAS). Hệ quét CT với bốn lát cắt có độ dày khác nhau, thu nhận 4 kênh số liệu cùng một lúc với chùm tia X chuẩn trục đủ để bao phủ vùng của bốn lát cắt: Hình (a) 4x1.25 mm; (b) 4x2.5 mm; ở đây hai đơn vị cảm biến kết nối với nhau cho lát cắt với độ dày 2.5 mm (1.25 mm x2). Hình (c) 4x3.75 mm; ở đây ba đơn vị cảm biến kết nối với nhau cho lát cắt với độ dày 3.75 mm (1.25 mm x3) và (d) 4x5 mm với bốn đơn vị cảm biến kết nối với nhau cho lát cắt với độ dày 5 mm (1.25 mm x4) [5].  

Ngoài việc có thể phân chia thành nhiều kênh (channels) theo hướng X (transaxial plane), MSCT cũng có thể phân chia thêm  thành nhiều đơn vị cảm biến dọc theo hướng di chuyển Z của bàn bệnh nhân. Độc lập với số đơn vị cảm biến, máy quét có thể thiết kế khác nhau dựa vào số hệ thu nhận tín hiệu tương đương với số lát cắt tối đa có thể thu nhận được cùng một lúc.

Khi số hệ thu nhẩn số liệu (DAS) ít hơn số đơn vị cảm biến, tín hiệu từ đầu ra (outputs) của những đơn vị này có thể tổng cộng lại trước khi gửi đến hệ DAS. Thí dụ: với máy quét gốm có bốn hệ DAS, dùng bộ cảm biến với 16 hàng đơn vị cảm biến có cùng kích cỡ giống nhau (Fig.6), lấy tín hiệu của 4 đơn vị cảm biến nằm ở giữa (một đơn vị cảm biến cho mỗi DAS channel) sẽ đưa ra kết quả với sự thu nhận 4 lát cắt có độ dày 1. 25 mm (nominal)  cho mỗi vòng quay. Tổng cọng đơn vị cảm biến theo nhóm cò hai, ba hay bốn trước khi lấy mẫu (sampling) sẽ cho ra theo thứ tự 4 lát cắt có độ dày 2.5 mm, bốn lát cắt 3.75 mm, hay bốn lát cắt 5 mm (Hình 4). Triển khai đến máy quét có 8,16 hay nhiều hệ thu nhận số liệu DAS, cho phép nhiều lát cắt hơn cho mỗi vòng quay của bánh rán.  

3. Lợi điểm của MSCT so với SSCT

So với CT đơn lát cắt SSCT, CT đa lát cắt MSCT có nhiều lợi điểm như sau:

-Kết quả của nhiều nghiên cứu cho biết là xạ hình của MSCT có phẩm lượng tốt, vì thề rất ít trường hợp phải tái khám. Điều này chẳng những giảm phí tổn, sư lo lắng về phía bệnh nhân, mà còn giảm liều bức xạ.

-Máy chụp CT có thể vận hành với tốc đô nhanh. Phải mất một thời gian quét khoảng 10 phút trong trường hợp của SSCT; trong khi đó, thời gian quét giảm xuống còn vài giây hay ít hơn với MSCT. Một sự giảm thiểu về thời gian đáng kể!

- Vì lấy hình hoàn thành nhanh, dòng điện (mA) của ống tia X gia tăng, làm giảm nhiễu âm và gia tăng chất lượng hình, quan trọng nhất là khi dùng những lát cắt mỏng hay chụp xạ hình những bệnh nhân lớn người.

-Xử dụng hữu hiệu ống tia X: Vì hình ảnh được hoàn thành nhanh, ống tia X sẽ ít bị làm nóng hơn, giảm và giới hạn nhu cầu cần thiết phải chờ đợi cho ống tia X nguội  trở lại giữa hai lần quét; số xạ hình vì thế sẽ tăng lên nhiều trong suốt thời gian xử dụng ống tia X.

-Vì thời gian vận hành ít hơn, MSCT có thể dùng để chụp hình bộ phận cơ thể của những bênh nhân không thể nằm lâu một chỗ bất động hay những người bị bất tỉnh. Điều này cũng rất ích lợi đối với các em nhỏ vì tương đối khó để giữ chúng nằm ở một vị trí nhất định trong một khoảng thới gian lâu.

- Lượng bức xạ thấp. SSCT phóng ra nhiều tia X hơn MSCT. Vì lý do này, MSCT thích hợp hơn trong việc chẩn đoán trẻ em.

- Trong trường hợp SSCT, bệnh lý không thể sàng lọc ở giai đoạn đầu vì chất lượng hình không tốt. Sau này, khi bệnh tình phát triển đến độ nguy cập hơn, cán bộ y tế đưa bệnh nhân đến chụp xạ hình với MSCT; nhưng có thể khó trị liệu và đôi khi không thể trị được vì đã quá trễ.

- Chụp tia X mạch không xâm lấn (non-invasive angiography) chỉ có thể thực hiện với MSCT. Trong trường hợp của chụp tia X mạch, MSCT giúp tạo hình 3D với độ nhìn chính xác và rõ rệt hơn về động mạch và tĩnh mạch.

- Hình X quang của xương, lồng ngực hay xương sống lưng cũng có thể đạt được với MSCT. Những dữ liệu tốt cần thiết cho việc chẩn đoán liên quan đến gãy nứt xương và những hình ảnh có chất lượng tốt sẽ giúp công tác phẩu thuật bệnh nhân của bác sĩ được thuận lợi hơn.

Với những ưu điểm trên của MSCT, máy chụp CT đa lát đã tiến triển một cách nhanh chóng với mục đích tăng số hình chụp và giảm độ dày cắt lát trong cùng một đơn vị thời gian chụp từ 4 lát/gantry rotation vào năm 1998 đến 4,8,16, 64 lát slice scanners vào năm 2004 [11]. Số lát gia tăng đến 128, 256, 512 và gần đây  640 lát do hãng Toshiba chế tạo.

Nói chung, nhiều hãng thiết kế CT với thời gian quét nhanh hơn và bao gồm một vùng rộng lớn hơn với một vòng quay của vòng lớn /bánh rán. Thí dụ như máy quét CT 16 lát cung cấp lát cắt với chiều dày 1.25 mm có thể bảo bao phủ một vùng rộng 20 mm trong một vòng quay của bánh rán. 

4. Vài thí dụ liên quan đến chụp hình cắt lớp

Trong gần 50 năm nay từ ngày CT đầu tiên ra đời, chụp hình X-quang cắt lát vi tính đã tiến bộ một cách vượt bực từ thế hệ thứ nhất (Generation One), tu chỉnh và cải biến sang thế hệ thứ bảy (Generation Seven) hay thế hệ thứ tám (tùy theo quan điểm của mỗi nhà chuyên môn); từ cắt hình đơn lát sang cắt hình đa lát qua các giai đoạn như cắt hình 2,4,8,32,64, 256 và 512 lát hay nhiều hơn nữa. Hình 7 biểu hiện cấu trúc cơ bản của hệ MSCT: Hình 7a biểu hiện hình của bộ cảm biến trong máy chụp CT đa lát; bộ cảm biến có 912 channels  với 256 hàng (segments). Bộ cảm biến tia X có tất cả 57 đơn vị cảm biến modules; mỗi đơn vị cảm biến modules có 4.096 (256x16)  pixel elements. Thế có  nghĩa là mỗi đơn vị cảm biến có 256 hàng nằm dọc theo trục Z; và vì thế sẽ cung cấp 256 lát cắt (slices) cùng lúc cho mỗi vòng quay của bánh rán và 912 columns (16x57= 912 channels). Hình 7b là một đồ hình tương tự dùng cắt nghĩa rõ hơn về câu trúc của bộ cảm biến ở Hình 7a. Cả hai hệ CT  có cấu trúc tương tự nhưng không hoàn toàn giống nhau về số kênh (channels) trong bộ cảm biến liên quan.

Hình 7. (a): Bộ cảm biến trong máy chụp CT đa lát MSCT: (a) Bộ cảm biến có 912 channels  với 256 phần segments (Google Image). (b): GE Multi-slice CT Scanners (Quad Detector). Cấu trúc này đòi hỏi dàn hàng cảm biến hai chiều có dạng vòng cung với ít nhất là bốn hàng đơn vị cảm biến nằm dọc theo trục Z. Hình phía trên của Hình 7b: có tất cả 844 channels với chiều rộng 1mm  trải dài trên một vòng cung 49 độ; chiều cao của mỗi đơn vị trong hình phía trên là 20 mm. Hình phía dưới của Hình 7b: có 916 channels, 16 rows trải dài trên một vòng cung 55 độ; chiều cao của mỗi đơn vị trong hình dưới là 1.25 mm (20mm/16=1.25mm) [12]. 

Máy chụp cắt lớp vi tính đa lát cắt là việc tăng số dãy nguồn phát tia X trong hệ thống phát tia, làm tăng số hình và độ mỏng thu được trong cùng một đơn vị thời gian chụp. Số lát tương đương với số hàng bộ cảm biến; có nhiều hàng sẽ tăng tốc độ quét (scanning) nhanh hơn. Thí dụ như trong máy CT với 16 lát, mỗi lát có độ dày 1.25 mm và bao gồm một khoảng cách 20 mm ở mỗi vòng quay của bánh rán (gantry).

Nguyên lý hoạt động của máy là dùng hệ thống máy phát tia X quét xoay quanh trục của cơ thể theo mặt phẳng ngang, rồi tái tạo ra cấu trúc của cơ thể. Ở một vài trường hợp cần thiết, thuốc tương phản hay thuộc cản quang có thể bôm vào cơ thể để cho bác sĩ X quang dễ quan sát và theo dõi hơn các hệ mạch máu bất thường hay thẩm định chức năng của các cơ quan như tim, thận. Chụp CT không gây đau đớn hay khó chịu cho bệnh nhân. Thời gian từ lúc chuẩn bị cho đến khi chụp xong mất từ khoảng 20 đến 30 phút.

Phần lớn máy chụp CT khác nhau ở vận tốc quét và độ dày lát cắt.

(i) Vận tốc quét càng cao thì thời gian chụp càng nhanh, bệnh nhân không phải nín thở lâu và nhất là để xử dùng máy CT trường hợp bệnh nhân bị hôn mê không biết gì; (ii) Độ dày lát cắt cũng đóng vai trò quan trọng không kém, lát cắt càng mỏng, hình ảnh lấy được càng nhiều,và hiệu quả tầm soát lại càng gia tăng.

 Chúng tôi xin đơn cử vài thí dụ:

(i) Chụp CT 64 lát: có 64 dãy đầu dò. thời gian chụp hình sọ là 8 giây; chụp hình ngực chỉ mất 15 giây. Những dữ kiện liên quan khác là khoảng cách bao phủ đầu thu rộng 40mm; độ dày lát cắt mỏng nhất 0,625mm và vòng quay nhanh nhất khoảng 0,35 giây /vòng quay. Vì nhịp đập trung bình của tim là 60- 80 lần/môt phút – tức là khoảng 1 giây cho mỗi nhịp đập, bệnh nhân không phải nín thở lâu trong thời gian chụp hình CT. Thời gian cần thiết (dựa vào nhịp đập của tim) biến đổi theo cơ quan trong cơ thể bệnh nhân cần chụp hình X-quang CT.

(ii) Chụp CT 128 lát: thời gian chụp hình X-quang ngắn hơn. Chỉ cần vài phút là có thể xong quy trình chụp CT. Thêm vào đó, độ phân giải lại cao, giúp ảnh chụp rõ nét hơn so với hình chụp CT 64 lát; và có thể phát hiện vết thương có kích thước nhỏ hơn.

(iii) Chụp CT 512 lát: có nhiều lợi điểm hơn chụp CT 64 hay 128 lát về phương diện thời gian chụp, độ phân giải và chất lượng hình X-quang . Đặc biệt có thể dùng trong việc chẩn đoán tim mạch.

Công nghệ tái tạo hình ảnh 3D càng lúc càng trở nên cần thiết hơn để giúp bác sĩ X-quang phát hiện các tổn thương nhỏ hơn 3 mm.

5. Kết từ

Nói một cách tổng quát, đơn vị cảm biến của hệ CT đa lát cắt (MSCT) nằm dọc theo trục Z của bàn bệnh nhân theo cấu trúc ma trận với kích cỡ thuộc ba dạng khác nhau : cùng kích cỡ, khác kích cỡ và kết nối đơn vị cảm biến cùng kích cỡ với những đơn vị khác kích cỡ [13] . Mặc dù chúng tôi trình bày ở trên quad-detector technology với 4 hệ thu nhận số liệu (DAS), kỹ thuật này có thể triển khai đến 8 DAS như chúng ta có thể thấy ở một số máy CT hiện tại.

Trong bài viết tới, chúng tôi sẽ trình bày về sự phát triển của Cone Beam CT (CBCT) với bộ cảm biến màn hình phẳng (thế hệ thứ bảy) và một số kỹ thuật mà chúng tôi đã khai thác liên quan đến bộ cảm biến này.

6. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Mot-so-ky-thuat-chinh.htm

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

[3] http://www.ctisus.com/gallery/images/multidetector/multislice_ct.jpg

[4] http://www.veterinary-imaging.com/images/MSS_CT.gif

[5] Mahadevappa Mahesh, Radiographics, 22, 949-962, 2002

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

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

[8] www.ec_software.com

[9] Proc Am Thorac Soc Vol 2. pp 470–476, 2005; DOI: 10.1513/pats.200508-086DS
[10]  Varun Bansal, IGMC, Shimla

[11]Ulzheimer S, Flohr T. Current Technology and Future Direction. In: Multislice CT. Medical Radiology. Germany, Springer Berlin Heidelberg. 2009; 3-23

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

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

June, 2021

(University of Minnesota and Ecosolar International)