Trong những năm gần đây, công nghệ chụp cắt lớp vi tính (CT) đã có những bước phát triển vượt bậc nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh, giảm liều bức xạ và mở rộng khả năng định lượng trong chẩn đoán hình ảnh hiện đại. Nổi bật trong số đó là CT Photon-counting (PCCT) – hay còn gọi là CT đếm photon, được xem là một bước tiến mang tính đột phá khi thay đổi căn bản cơ chế thu nhận tín hiệu tia X. Khác với CT truyền thống sử dụng đầu dò tích phân năng lượng, PCCT cho phép ghi nhận trực tiếp từng photon tia X cùng thông tin năng lượng của chúng, từ đó tạo ra dữ liệu phổ nội tại với độ chính xác cao. Những tiến bộ này không chỉ có ý nghĩa lớn trong thực hành lâm sàng mà còn mở ra hướng đào tạo và nghiên cứu mới trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh, đặc biệt tại các cơ sở đào tạo y khoa như Trường Đại học Y khoa Tokyo Việt Nam, nơi chú trọng cập nhật và giảng dạy các công nghệ hình ảnh tiên tiến theo chuẩn quốc tế.
Nội dung chính
Nguyên lý hoạt động
Sự khác biệt cốt lõi giữa PCCT và CT truyền thống nằm ở cơ chế chuyển đổi photon tia X thành tín hiệu điện.
CT truyền thống (EID – chuyển đổi gián tiếp)
Trong CT truyền thống, photon tia X trước tiên được chuyển đổi thành ánh sáng trong lớp phát quang (scintillator), sau đó ánh sáng này mới được điốt quang điện (photodiode) chuyển thành tín hiệu điện.
Quá trình hai bước này dẫn đến:
- Tán xạ ánh sáng giữa các pixel dẫn đến nhiễu chéo (crosstalk)
- Thất thoát năng lượng
- Giảm độ phân giải không gian và hiệu suất năng lượng
Cơ chế này được gọi là chuyển đổi gián tiếp (indirect conversion).
CT Photon-counting (PCCT – chuyển đổi trực tiếp)
PCCT sử dụng vật liệu bán dẫn (phổ biến là CdTe hoặc CZT) để chuyển đổi trực tiếp photon tia X thành tín hiệu điện (direct conversion).
Khi photon tia X tương tác với chất bán dẫn, năng lượng của photon được giữ lại và chuyển hóa thành năng lượng nội tại của vật chất chủ yếu thông qua hiệu ứng quang điện, tạo ra các cặp electron – lỗ trống (electron–hole pairs). Dưới tác dụng của điện trường phân cực, các điện tích này được thu nhận tức thì tại các điện cực, sinh ra xung điện riêng biệt cho từng photon, không cần qua bước phát quang trung gian.
Nhờ đó:
- Nhiễu chéo quang học gần như bị loại bỏ
- Thông tin năng lượng photon được bảo toàn ở mức cao
Phân loại năng lượng photon
Biên độ của mỗi xung điện tỷ lệ thuận với năng lượng photon tia X. Dựa trên nguyên lý này, hệ thống PCCT thiết lập các ngưỡng năng lượng (energy thresholds), cho phép:
- Loại bỏ nhiễu điện tử: Các xung có biên độ thấp hơn ngưỡng tối thiểu (chủ yếu là nhiễu nền) bị loại bỏ, giúp hình ảnh đạt tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (SNR) rất cao, đặc biệt ở liều tia thấp.
- Thu nhận đa mức năng lượng trong một lần quét: Photon được phân loại vào nhiều mức năng lượng khác nhau (energy binning), tạo ra dữ liệu phổ đa năng lượng đồng thời mà không cần bóng tia X kép hay bộ lọc cơ học như CT hai mức năng lượng thế hệ trước.
Ưu điểm nổi bật của PCCT
- Phân tách vật chất (material decomposition): Dựa trên sự phụ thuộc năng lượng của hệ số suy giảm, PCCT cho phép phân biệt chính xác iodine, canxi, mỡ và mô mềm…
- Giảm nhiễu ảnh: Hạn chế rõ rệt các nhiễu ảnh do cứng hóa chùm tia (beam hardening) và (blooming artifacts) xung quanh vôi hóa hoặc kim loại.
- Tối ưu liều tia và thuốc cản quang: SNR cao cho phép giảm liều bức xạ và giảm liều thuốc cản quang, góp phần hạn chế nguy cơ suy thận và các tác dụng không mong muốn.
- Độ phân giải không gian rất cao: Do không sử dụng scintillator và vách ngăn quang học, pixel vật lý của đầu dò PCCT nhỏ hơn đáng kể so với EID, cho phép đạt độ phân giải không gian hiệu dụng lên tới 0.2 mm trong các chế độ chụp độ phân giải cao. Điều này góp phần làm giảm hiệu ứng thể tích từng phần, qua đó cho phép quan sát rõ ràng các cấu trúc kích thước nhỏ như mạch máu ngoại vi, tiểu phế quản, bè xương và chuỗi xương con tai giữa…
Ứng dụng lâm sàng
Tim mạch
- CT mạch vành: giảm nhiễu do vôi hóa và kim loại, giúp đánh giá lòng mạch chính xác hơn.
- Định lượng mảng xơ vữa: phân biệt thành phần lipid – xơ – vôi hóa nhờ dữ liệu phổ.
Hô hấp
- CT phổi độ phân giải rất cao: giúp phát hiện sớm bệnh phổi kẽ, tổn thương kính mờ, tiểu phế quản…
- Đánh giá khí phế thũng bằng cách định lượng phân bố không khí và bản đồ mật độ nhu mô phổi với độ tin cậy cao.
Thần kinh – sọ não
- Phân biệt xuất huyết và vôi hóa dựa trên đặc tính phổ.
- Đánh giá tổn thương vi mạch và dị dạng mạch não.
- Cải thiện chất lượng CTA não với chi tiết mạch rõ nét hơn.
Cơ – xương – khớp
- Hình ảnh xương độ phân giải rất cao, giúp phát hiện bất thường bè xương, vi chấn thương và các cấu trúc rất nhỏ như xương con tai giữa.
- Phân biệt gout (urate) và canxi nhờ phân tách vật chất.
- Giảm nhiễu kim loại quanh khớp nhân tạo.
Ung bướu
- Định lượng thuốc cản quang trong khối u: đánh giá tưới máu và đáp ứng điều trị.
- Phân biệt mô u – mô lành – mô hoại tử.
- Theo dõi điều trị chính xác hơn nhờ giá trị HU ổn định.
Ứng dụng trong nghiên cứu và y học chính xác
- Định lượng vật chất: đo nồng độ iodine, canxi và lipid một cách tin cậy.
- Cá thể hóa protocol chụp thông qua việc tối ưu hóa các mức năng lượng thu nhận, phù hợp với từng bệnh nhân và từng chỉ định lâm sàng.
(Courtesy of Diagnostikum Graz, Austria)
Thách thức và triển vọng
Thách thức
- Pulse pile-up: hiện tượng nhiều photon tia X đến đầu dò trong khoảng thời gian rất ngắn, gây chồng lấp xung và dẫn đến sai số trong quá trình đếm photon, đòi hỏi các thuật toán hiệu chỉnh phức tạp.
- Khối lượng dữ liệu lớn: yêu cầu hạ tầng lưu trữ, xử lý và truyền tải mạnh.
- Chi phí đầu tư cao.
Triển vọng
- Mở rộng chỉ định lâm sàng và được kỳ vọng sẽ từng bước thay thế hoặc bổ sung CT truyền thống trong một số lĩnh vực quan trọng như tim mạch, hô hấp, cơ–xương–khớp, thần kinh và ung bướu.
- Kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) trong tái tạo và xử lý ảnh nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh, rút ngắn thời gian tái tạo và giảm liều bức xạ hơn nữa.
- Phát triển các kỹ thuật định lượng nâng cao (spectral imaging, radiomics, material decomposition), góp phần tăng độ tin cậy và khả năng tái lập của chẩn đoán hình ảnh.
- Đóng vai trò nền tảng cho y học chính xác, cho phép cá thể hóa protocol chụp, theo dõi điều trị và tiên lượng bệnh phù hợp với từng bệnh nhân.
CT Photon-counting không đơn thuần là một cải tiến về mặt kỹ thuật mà đại diện cho sự thay đổi mang tính nền tảng trong chẩn đoán hình ảnh cắt lớp vi tính, chuyển từ hình ảnh giải phẫu đơn thuần sang hình ảnh định lượng đa năng lượng giàu thông tin sinh học. Với các ưu thế vượt trội như độ phân giải không gian rất cao, khả năng phân tách vật chất chính xác, giảm nhiễu ảnh và tối ưu hóa liều bức xạ cũng như thuốc cản quang, PCCT đang mở rộng đáng kể ứng dụng trong tim mạch, hô hấp, thần kinh, cơ–xương–khớp và ung bướu. Trong bối cảnh y học chính xác ngày càng được chú trọng, việc tiếp cận, đào tạo và nghiên cứu công nghệ PCCT tại các cơ sở đào tạo như Trường Đại học Y khoa Tokyo Việt Nam có vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị nguồn nhân lực chẩn đoán hình ảnh chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu phát triển của y học hiện đại và cá thể hóa điều trị trong tương lai.
Nguyễn Tuấn Anh
Giảng viên khoa Kỹ thuật hình ảnh y học
