Chụp cắt lớp vi tính (CT) đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán lâm sàng hiện nay khi hỗ trợ các bác sĩ chẩn đoán bệnh lý, chấn thương và các biểu hiện lâm sàng bất thường khác.
Với công nghệ chụp cắt lớp vi tính đếm lượng tử, các bác sĩ lâm sàng có thể cải thiện hiệu quả của chụp CT truyền thống, bao gồm hiển thị các chi tiết nhỏ của cấu trúc cơ quan, cải thiện khả năng phân tích đặc tính mô tế bào, đồng thời nâng cao độ chính xác trong đo đạc mật độ vật chất và giảm liều bức xạ cho bệnh nhân.
Chụp cắt lớp vi tính đếm lượng tử hoạt động như thế nào?
Khi công nghệ chụp CT hiện đang dẫn đầu thời đại thì thế hệ tiếp theo là công nghệ chụp CT đếm lượng tử đã được nghiên cứu phát triển một thời gian.
Công nghệ chụp CT đếm lượng tử sử dụng đầu thu tia X phân giải năng lượng mới để đếm số lượng photon và mức năng lượng của photon. Công nghệ này hướng đến tạo ra tỉ lệ tương phản trên nhiễu (CNR) cao hơn, cải thiện độ phân giải không gian và tối ưu hóa hình ảnh CT phổ so với các kỹ thuật phân tích năng lượng thông thường.
Đầu dò CT thông thường hoạt động bằng cách biến đổi gián tiếp các photon tia X thành ánh sáng khả kiến thông qua một loạt các tinh thể, sau đó hình thành xung điện. Điều này xảy ra nhờ vào sự biến đổi gián tiếp do các tác động kết hợp của năng lượng và số lượng photon, hay thường được gọi là cường độ.
CT truyền thống sử dụng hệ thống đầu dò tích hợp năng lượng (EID). Đầu dò EID sử dụng các tinh thể nhấp nháy để tạo ra ánh sáng khả kiến khi một photon tia X chạm vào chúng, sau đó ánh sáng được ghi lại bởi một đi-ốt quang tạo ra điện tích và trở thành tín hiệu CT. Với đầu dò EID, các photon chạm vào cùng lúc sẽ được tích hợp lại trở thành các tín hiệu sử dụng để tạo ra hình ảnh CT. Quá trình này không cung cấp thông tin cụ thể về mức năng lượng của mỗi photon.
Trong đầu dò đếm photon, các photon tia X được biến đổi trực tiếp thành các xung điện có thể đo được số lượng photon và năng lượng của photon một cách riêng biệt. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn nhiễu điện từ trong tín hiệu thu nhận.
Sáng kiến tiên phong thế giới
Đầu dò đếm photon được làm từ vật liệu bán dẫn cho phép chuyển đổi trực tiếp photon tia X thành tín hiệu điện. Các photon chạm vào đầu dò có thể được đếm riêng lẻ, hình thành tín hiệu để tạo ra hình ảnh chính xác hơn. Ngoài ra, mức năng lượng của mỗi photon có thể được định lượng, tạo ra thông tin phổ chất lượng cao.
Trong 30 năm nghiên cứu kể từ 1993, GE HealthCare, một trong những đơn vị tiên phong trên thế giới về thiết bị y tế đã lựa chọn thành công vật liệu “Silicon Sâu” (Deep Silicon) làm vật liệu bán dẫn cho đầu dò của CT đếm lượng tử, nhờ khả năng cung cấp độ phân giải không gian vượt trội mà không ảnh hưởng đến tốc độ đếm hay độ phân giải phổ. Đây là nỗ lực hướng đến mục tiêu hỗ trợ các bác sĩ lâm sàng có thể nhận biết hết tiềm năng của công nghệ CT phổ.
Là một vật liệu bán dẫn, silicon có hàng loạt những ưu điểm vượt trội như độ tinh khiết, sự phong phú và nhiều cơ sở sản xuất rộng khắp. Trong lịch sử, thách thức chính đối với việc sử dụng silicon làm vật liệu đầu dò là nó có số nguyên tử tương đối thấp nên khi đặt trên bề mặt ngang, nó sẽ quá mỏng để có thể hấp thụ hoàn toàn số lượng photon tia X đến.
GE HealthCare đã thành công vượt qua thách thức này bằng phương pháp tiếp cận mới khi đặt các cảm biến silicon ở vị trí các cạnh thay vì bề mặt ngang. Đầu dò khi đó sẽ đủ chiều sâu để hấp thụ các photon có năng lượng rất cao và đủ nhanh để đếm và định lượng năng lượng cho hàng trăm triệu photon mỗi giây. Với phương pháp này, độ sâu hiệu quả của đầu dò được xác định không phải bằng độ dày của tấm silicon mà bằng chiều dài của nó, cho phép đầu thiết kế đầu dò với kích thước tối ưu. Đây là lý do công nghệ này được gọi là “Silicon Sâu”.
Tương lai của công nghệ CT đếm lượng tử
Lợi ích của việc sử dụng CT đếm lượng tử bao gồm khả năng loại bỏ nhiễu điện trong hình ảnh cũng như đảm bảo mức năng lượng của mỗi photon. Các điểm ảnh của đầu dò nhỏ hơn và có thể cải thiện độ phân giải không gian đồng thời loại bỏ ảnh hưởng của chùm tia năng lượng thấp. Công nghệ này mang lại khả năng nâng cao độ tương phản của hình ảnh bao gồm cả tỉ lệ tương phản trên nhiễu (CNR).
CT được cải thiện đồng thời cả độ tương phản và độ phân giải không gian, cho phép áp dụng nhiều ứng dụng lâm sàng hơn với thông tin chi tiết hơn về các cơ quan và hệ cơ quan, cũng như đặc biệt ứng dụng trong điều trị tim mạch khi hình ảnh chi tiết về mạch máu là chìa khóa để đánh giá bệnh tim. Những cải tiến về chất lượng hình ảnh này mở ra điều kiện lâm sàng tốt hơn cũng như cải thiện quá trình chẩn đoán.
Nhiều ứng dụng của công nghệ chụp CT đếm lượng tử mở ra cơ hội lớn cho ngành y tế. Ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư và bệnh tim mạch là hai trong số những hướng đi hứa hẹn, với tiềm năng hỗ trợ cho nhiều ứng dụng mới. Công nghệ đầu dò mới cùng với các thuật toán trí tuệ nhân tạo AI và kỹ thuật tái tạo hình ảnh có thể tiếp tục nâng tầm lĩnh vực cắt lớp vi tính và hứa hẹn những đổi mới mang tính then chốt trong quy trình chẩn đoán. Tất cả tạo ra tiềm năng trở thành một bước tiến lớn đối với công nghệ đếm lượng tử trong chụp CT và mang lại lợi ích cho hàng triệu bệnh nhân toàn thế giới.