1. CR là gì?
CR (Computed Radiography - X quang có sự hỗ trợ của máy tính) là hệ thống thu nhận và biến đổi tín hiệu từ tia X thành tín hiệu số. Trong khi X quang cổ điển phải sử dụng film, nước rửa film và buồng tối để thu nhận và xử lý hình ảnh thì CR sử dụng detector (Cảm biến) được cấu tạo từ hợp chất phospho để thu nhận hình ảnh từ tia X, sau đó đưa qua một hệ thống đọc và số hóa tín hiệu, từ đó hiển thị lên màn ảnh máy tính. Những hình ảnh này được xem và xử lý lại để đạt chất lượng cao nhất trước khi in ra hoặc lưu trữ, nâng cao hiệu quả chẩn đoán. Một hệ thống CR bao gồm:  - Cảm biến CR (CR detector) hay tấm thu nhận ảnh (Image plate) - Đầu đọc CR (CR Reader) -  Trạm máy tính xử lý hình ảnh (CR Station) - Máy in (Printer).
Thế hệ CR đầu tiên ra đời vào năm 1981, và được sử dụng rộng rãi hiện nay. So với X quang cổ điển (classical radiography), CR có nhiều ưu điểm hơn như tiết kiệm thời gian, bảo vệ môi trường, giảm liều chiếu bức xạ trên bệnh nhân. Ảnh thu được dưới dạng số nên rất dễ dàng trong việc xử lý, truyền đi, lưu trữ…Một số hãng chế tạo và cung cấp thiết bị CR nổi tiếng như Agfa, Fuji, Kodak, Konica….
Choyte.com sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động của CR, cũng như những ưu khuyết điểm của hệ thống. Từ đó, cho thấy khả năng thay thế hoàn toàn X quang thường bằng hệ thống X quang kỹ thuật số.

Một hệ thống CR cơ bản

2. Quy trình hoạt động của hệ thống CR

Quy trình hoạt động & thu nhận ảnh của CR

Hệ thống phát tia X hoàn toàn giống như hệ thống của X quang thường. Tia X sau khi chiếu qua bệnh nhân sẽ đến một tấm photpho (tấm thu nhận ảnh - Image plate hay Cảm biến CR - CR detector). Tấm photpho này đóng vai trò như tấm phim trong X quang thường. Tấm photpho, sau khi đã được chiếu tia, sẽ được đưa đến máy quét ảnh (Image Scanner). Máy quét ảnh có chức năng số hoá hình ảnh thu được, và làm cho tấm photpho trở lại trạng thái ban đầu để dùng cho lần thu ảnh sau. Hình ảnh đã được số hoá (digital image) được truyền đến máy tính xử lý ảnh. Tại đây ảnh có thể được thay đổi độ sáng, độ tương phản, tạo ảnh chỉ chứa xương, ảnh chỉ chứa mô… tuỳ theo từng mục đích của bác sĩ. Ảnh sau khi được xử lý có thể được hiển thị, được in ra phim, được truyền qua mạng đến nơi khác hay lưu trữ trong hồ sơ bệnh nhân. Một trong những ưu điểm lớn nhất của CR là ảnh thu được dưới dạng số, rất thuận tiện cho xử lý, lưu trữ và truyền đi xa.

3. Tấm thu nhận ảnh (Image Plate)
Hình dạng ngoài của một tấm thu nhận ảnh của CR có dạng như hình dưới (giống cassette). Cấu tạo chính của CR detector (Image plate) là tấm bản phẳng phosphor rất nhạy với tia X. Hình ảnh thu được sau khi tia X đi xuyên qua vật thể và tác dụng vào detector sẽ được thể hiện thông qua sự phân bố mật độ điện tích trong detector. Hình ảnh này sẽ được tái tạo và thể hiện lại trên màn hình máy tính thông qua một hệ thống laser và máy tính. Phosphor được sử dụng trong CR detector là hỗn hợp giữa phosphor và các hợp chất Barium Fluorohalide, sử dụng Europium làm chất kích hoạt (BaFI:Eu²⁺, BaFCl:Eu²⁺, and BaFBr:Eu²⁺). CR detector được đặt trong cassette và được sử dụng như cassette film chung với những thiết bị chụp X-quang bình thường.

Cassette với tấm thu nhận ảnh bên trong

Cấu tạo tấm thu nhận ảnh

Khi có sự tác động của tia X, các nguyên tử europium trong mạng tinh thể barium bị ion hóa (ion +2 thành +3) và giải phóng một điện tử. Điện tử này ngay lập tức sẽ nhảy lên mức năng lượng cao nhất và nằm trong vùng dẫn (conduction band). Khi đã ở trong vùng dẫn, điện tử này sẽ di chuyển tự do cho đến khi bị bắt lại ở trạng thái bán ổn định ở vùng F-center với mức năng lượng thấp hơn một chút so với mức năng lượng của vùng dẫn nhưng cao hơn so với mức năng lượng bình thường của nguyên tử europium. Số lượng điện tử bị bắt lại tỉ lệ với mức năng lượng của tia X thu nhận được. Chính những điện tử bị bắt lại này tạo nên hình ảnh thu được từ tia X. Do có sự chuyển động nhiệt, nên các điện tử sẽ từ từ được giải phóng khỏi mức năng lượng ở vùng F-center, do đó các hình ảnh thu nhận được phải được đọc và xử lý trong thời gian ngắn (trong khoảng 8 giờ trong nhiệt độ phòng). Để thu nhận lại hình ảnh từ CR detector, ta sử dụng hệ thống laser helium-neon. Tia laser sẽ kích thích các điện tử bị bắt trong vùng F-center lên mức năng lượng cao hơn ở vùng vẫn (conduction band), khi đó điện tử lại tiếp tục được di chuyển tự do, và khi đó chúng có khuynh hướng nhảy trở về mức năng lượng ban đầu thấp hơn, khi đó sẽ phát ra một năng lượng dưới dạng ánh sáng. Ánh sáng này sẽ được thu nhận số hóa và xuất hiện trên màn hình máy tính dưới dạng ma trận điểm. Mỗi điểm ảnh được thể hiện bằng giá trị thang xám tỷ lệ với số lượng ánh sáng phát ra tương ứng với từng điểm CR detector. Để số hóa tín hiệu ánh sáng, CCD được đặt trực tiếp trong CR detector để có thể thu nhận được tín hiệu một cách tốt nhất.

4. Máy đọc ảnh CR (CR Reader)
Máy đọc này sẽ phát ra tia laser có năng lượng khoảng 2 eV (ánh sáng laser đỏ) để quét qua tấm photpho. Khi đó, các electron đang bị F giữ sẽ bị kích thích để nhảy lên vùng dẫn. Các electron này chỉ ở trên vùng này một thời gian rất ngắn thì nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn. Sự chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp của các electron làm phát ra một ánh sáng màu xanh (cỡ 3 eV). Dựa vào cường độ sáng phát ra, máy quét sẽ số hoá cho từng điểm sáng. Từ đó xác định độ đen trắng cho ảnh X quang chụp được. Sau khi đã mã hoá cho ảnh, máy quét sẽ chiếu một luồng ánh sáng cực sáng vào tấm photpho. Khi đó tất cả các electron bị giữ ở bởi nguyên tử F sẽ trở về trạng thái cơ bản. Tấm thu nhận ảnh sẽ trở về trạng thái giống như trước lúc chụp cho bệnh nhân và được dùng lại cho lần chụp sau.

Hình dạng một số máy đọc CR (CR Reader)
 

Khi tia laser tới (Incident Laser Beam) xuyên qua lớp chống trầy xước (Protective Layer), nó sẽ tương tác với lớp photpho (Phosphor Layer) (Hình 6). Do hiện tượng tán xạ nên tia laser bị trải rộng trong lớp photpho, điều này sẽ ảnh hưởng đến độ phân giải của máy đọc CR. Độ phân giải không gian (Spatial Resolution) của ảnh càng tốt khi hiện tượng tán xạ càng ít. Điều này có thể đạt được bằng cách giảm nhỏ đường kích chùm tia laser tới, nhưng khi đó dĩ nhiên thời gian để đọc hết ảnh cũng tăng lên và dung lượng ảnh cũng lớn hơn. Tương tác giữa tia laser và lớp photpho sẽ tạo ra ánh sáng màu xanh. Ánh sáng này sẽ theo bảng dẫn sáng (Light Guide) đến đập vào ống nhân quang (PMT). Ông nhân quang PMT (Photomultiplier Tube) sẽ chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện. Biên độ của tín hiệu điện sẽ tỉ lệ thuận với cường độ tia X hấp thụ của lớp photpho. Với cùng một mức năng lượng của tia laser (2eV), tuỳ theo mật độ của tia X bị hấp thu bởi lớp photpho mà cường độ của ánh sáng phát quang (Photostimulated Luminescence) và do đó biên độ của tín hiệu điện sẽ khác nhau giữa các điểm trên ảnh thu được. Sự khác nhau này sẽ là căn cứ cho việc mã hoá độ đen trắng của ảnh và cho sự hiển thị ảnh.

Tương tác giữa tia laser với lớp photpho.

Cấu tạo của bộ đọc ảnh CR được minh hoạ trong hình dưới. Trong hệ thống này, chiều chuyển động của tấm photpho (Plate Direction) là chiều dọc, chiều quét của tia laser (Scan Direction) là chiều ngang. Tia laser phát ra được chiếu qua tấm gương đa giác (Polygonal Mirror). Tấm gương này quay tròn, làm cho tia laser được quét theo chiều ngang của tấm photpho. Tại mỗi điểm được chiếu, ống nhân quang PMT sẽ nhận được tín hiệu ánh sáng và chuyển nó thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện sẽ được khuyếch đại, chuyển đổi sang dạng số (ADC)… Cuối cùng ta có được ba thông số về điểm ảnh là toạ độ (x,y) và cường độ z của tia X hấp thụ tại điểm đó. Giá trị của z là cơ sở cho quá trình hiển thị ảnh.

5. Trạm xử lý ảnh (CR Station - Image processor)
Ảnh sau khi được số hoá từ máy đọc ảnh được truyền đến máy điện toán chủ xử lý ảnh (ADC processing server). Máy chủ này có chứa nhiều phần mềm xử lý ảnh như:
+ Egde enhancement (Tăng cường bờ nét).
+ Dynamic range compression (Nén dải động).
+ Multiscale contrast enhancement (Tăng cường tương phản đa mức độ).
+ Giảm nhiễu (noise reduction).
Nhờ các phần mềm này mà chỉ cần phô xạ một lần vẫn có thể khảo sát tốt phần mềm, xương hoặc phổi, trung thất.
Phương pháp khuyếch đại tương phản đa mức độ (Multiscale image contrast amplification) MUSICA có thể làm tăng khả năng phát hiện các đường gãy ẩn, nốt nhỏ dù độ đậm thấp, không che lấp chi tiết lân cận, không tạo những bờ giả, dùng toàn cơ thể. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc tách ra làm 12 lớp, và tăng những hình độ đậm thấp, giảm những ảnh quá sáng để trên một hình có thể khảo sát nhiều cấu trúc.

6. Máy in phim (Printer)
Ảnh sau khi được xử lý có thể được in ra phim bằng máy in phim khô để bác sĩ chẩn đoán, hoặc trả phim cho bệnh nhân. Máy in phim khô sử dụng một lớp hoá chất silver halide, chỉ biến đổi màu khi chịu nhiệt. Máy có một đầu nhiệt (thermal head) gồm một phần tử vi nhiệt (microthermal element) phân phối nhiệt đến lớp hoá chất nhạy cảm với nhiệt, để tạo thành hình. Đầu nhiệt này dài 35cm, và hoàn toàn tự điều chỉnh để hình có chất lượng cao nhất.
Máy sử dụng phim không nhạy với ánh sáng, nên có thể lắp vào máy dưới ánh sáng thường.

7. Ưu điểm và nhược điểm của CR so với X quang cổ điển.
Ưu điểm :
+ Quá trình tạo ảnh đơn giản, nhanh chóng, không cần phòng tối như X quang cổ điển.
+ Sử dụng máy in phim khô, đơn giản và thân thiện với môi trường, không độc hại.
+ Ảnh thu được dưới dạng số nên có thể lưu trữ, truyền đi dễ dàng.
+ Tấm thu nhận ảnh có thể tái sử dụng nhiều lần (khoảng 20.000 lần).
Nhược điểm :
+ Vốn đầu tư ban đầu rất lớn.