Chụp cắt lớp vi tính phổ: Nguyên lý và ứng dụng trong tim mạch

Nguyễn Xuân Trình*

Nguyễn Tuấn Vũ*

Phan Thanh Hải*

*Khoa Tim mạch – Trung tâm Y Khoa Medic

Tác giả liên lạc: BS.CKII. Nguyễn Xuân Trình

Tóm tắt.

Do tính sẵn có rộng rãi, dễ áp ​​dụng lâm sàng, độ nhạy tuyệt vời để phát hiện bệnh động mạch vành (ĐMV) và bản chất không xâm lấn, CT đã trở thành một công cụ có giá trị trong trang thiết bị của bác sĩ tim mạch. Trong vài năm gần đây, đã có nhiều tiến bộ công nghệ trong CT, bao gồm CT đa mức năng lượng (multienergy CT) hoặc CT phổ (spectral CT) hoặc CT hai mức năng lượng (dual-energy CT), trong đó dữ liệu có đậm độ khác nhau từ các mức năng lượng khác nhau được sử dụng để mô tả các vật chất, điều này vượt quá khả năng của CT thông thường hay CT một mức năng lượng.

Các công nghệ hiện tại cho CT phổ là dựa trên đầu đèn hoặc dựa trên đầu thu và phân tách chất xảy ra trong hình ảnh. Bằng cách khai thác những tiến bộ trong công nghệ, CT tim đã vượt qua sự đánh giá đơn thuần của hẹp ĐMV thành một phương tiện hình ảnh cho phép xác định chính xác mảng xơ vữa, đánh giá tưới máu cơ tim, viêm cơ tim, bệnh cơ tim không do thiếu máu cục bộ (TMCB), tái hẹp trong stent mạch vành hay xảo ảnh, rò bên trong stentgraft ở động mạch chủ (ĐMC), phát hiện cả thuyên tắc phổi cấp tính và mạn tính (CTEPH). Ngoài ra, liều thuốc tương phản và liều bức xạ ion hóa giảm 50-60%, thậm chí có vài nghiên cứu cho thấy liều bức xạ ion hóa giảm đến 90% .

Từ khóa: CT hai mức năng lượng, CT phổ, CT đa mức năng lượng, phổ tia X, mức năng lượng liên kết lớp K, vật chất, nguyên tử Z hữu hiệu.

Abstract

Spectral CT: Principles and Cardiovascular Applications

Due to its widespread availability, ease of clinical application, superb sensitivity for detection of CAD, and non-invasive nature, CT has become a valuable tool in the equipment of the cardiologist. In recent years, many technological advances in CT have occurred including dual energy CT (DECT) or Multienergy CT or spectral CT is a relatively recent advance in which attenuation data from different energies are used to characterize materials beyond what is possible at conventional CT. Current technologies for multienergy CT are either source based or detector based and material-based decomposition occurs in either image. By harnessing the advances in technology, cardiac CT has advanced beyond the mere assessment of coronary stenosis to an imaging modality tool that permits accurate plaque characterization, assessment of myocardial perfusion , acute myocarditis , non-ischemic dilated cardiomyopathy, determining if shadowing inside a stent is artifact or restenosis, better delineation of aortic stent graft endoleaks, detection of both acute and chronic pulmonary embolisms. Also, lower contrast and radiation dose 50-60% and even 90% in some studies.

Keywords: Dual energy CT, Spectral CT, Multienergy CT, X-Ray Spectrum, K-Shell Binding Energy, materials. Effective atomic number (Z_eff) .

1. Mở đầu:

Gần đây, những tiến bộ trong công nghệ chụp cắt lớp vi tính cho phép thời gian chụp nhanh hơn, cải thiện độ phân giải không gian và thời gian, và giảm liều bức xạ cùng với những bằng chứng phát triển nhanh chóng từ các thử nghiệm lâm sàng đã xác định chụp cắt lớp vi tính (CT) như một phương tiện chẩn đoản hình ảnh quan trọng trong đánh giá các rối loạn tim mạch⁽¹⁾. Không thể tưởng tượng được trong thực hành lâm sàng hiện tại mà không có hình ảnh CT. Do tính sẵn có phổ biến rộng rãi, dễ áp ​​dụng lâm sàng, độ nhạy tuyệt vời để phát hiện bệnh động mạch vành (ĐMV) và bản chất không xâm lấn, CT đã trở thành một công cụ có giá trị trong trang thiết bị của bác sĩ tim mạch. Trong vài năm gần đây, nhiều tiến bộ công nghệ trong CT đã xảy ra, bao gồm: CT đa mức năng lượng hoặc CT hai mức năng lượng còn gọi là CT phổ, trong đó dữ liệu có đậm độ khác nhau từ các mức năng lượng khác nhau được sử dụng để mô tả các vật chất, điều này vượt quá khả năng của CT thông thường hay CT một mức năng lượng (SECT)^(1,2) . Bằng cách khai thác những tiến bộ trong công nghệ, CT tim đã vượt qua sự đánh giá đơn thuần của hẹp ĐMV thành một phương tiện hình ảnh cho phép xác định chính xác mảng xơ vữa, đánh giá tưới máu cơ tim, viêm cơ tim, tái hẹp trong stent ĐMV hay xảo ảnh, rò bên trong stent graft ở ĐMC, phát hiện cả thuyên tắc phổi cấp tính và mãn tính. Cuộc cách mạng mới trong chất tương phản CT  và các thiết bị CT phổ tiền lâm sàng đã mở đường cho hình ảnh phân tử dựa trên CT⁽²⁾. CT phổ được quan tâm nhiều trong vài năm trở lại đây và cũng là một trong những chủ đề được quan tâm nhất tại cuộc họp thường niên của hội CT tim Hoa kỳ 2019 (SCCT 2019). DECT đại diện cho sự tiến bộ đáng kể mới nhất trong lĩnh vực chụp cắt lớp vi tính. Lần đầu tiên được nghiên cứu vào cuối những năm 1970 mãi đến năm 2006, DECT lần đầu tiên được áp dụng trong thực hành lâm sàng⁽³⁾. DECT không những phát hiện hình thái mà còn giúp phân biệt thành phần hóa học của các cấu trúc mô khảo sát. Kỹ thuật mới này đã đưa CT vào lĩnh vực đánh gía chức năng của các cơ quan. Phương pháp này thu được hình ảnh xảy ra cùng lúc hay gần cùng lúc ở mức năng lượng (kilovolt peaks) cao và thấp (80 kVp và 140kVp). Việc sử dụng các mức năng lượng khác nhau cho phép kiểm soát được 2 phổ đa sắc để phân biệt được đậm độ của 2 vật chất cơ bản khác nhau.

II. Nguyên lý hoạt động của CT phổ:1. Tạo hai mức năng lượng:

Các phương pháp tạo hai mức năng lượng (Hình 1):  Chụp CT hai đầu đèn với 2 dãy đầu thu tương ứng (Dual-Source Scanner with Dual Detector Arrays),  Chụp CT hai mức năng lượng với một đầu đèn chuyển đổi kilovoltage (KV) nhanh giữa KV cao và thấp (Single-Source Scanner with Fast Kilovoltage Switching) và Chụp CT hai mức năng lượng với một đầu đèn nhưng có 2 lớp đầu thu (Single-Source Scanner with Dual Detector Layers) hay 2 dãy đầu thu phụ thuộc năng lượng  ( Energy-dependent dual detectors)^(4,5). Những đầu thu(detector) thế hệ mới, không chỉ phân tích độ hấp thu tia X đến đầu thu, mà còn có khả năng đếm được số photon đến “ Photon-counting hay quantum-counting ”, giúp phân tích thành phần vật chất tốt hơn DECT đơn thuần⁽⁶⁾. Ba loại máy chụp CT hai mức năng lượng có sẵn khác nhau về kỹ thuật sử dụng để thu được bộ dữ liệu CT ở mức năng lượng cao và năng lượng thấp⁽⁷⁾:

Chụp CT hai mức năng lượng với hai đầu đèn với hai dãy đầu thu (Dual-Source Scanner with Dual Detector Arrays)⁽⁷⁾:

Chụp MSCT hai mức năng lượng với hai đầu đèn (DSCT-Dual Source CT) (Somatom;Siemens,Đức) đặt vuông gốc nhau với 2 mức năng lượng khác nhau: một đầu đèn với mức năng lượng cao 120kVp hay 140 kVp tương ứng với dãy đầu thu (detector) A có thể bao phủ toàn bộ trường khảo sát(field of View) với đường kính 50cm và một đầu đèn với mức năng lượng thấp 80 kVp hay 100 kVp tương ứng với dãy đầu thu (detector) B có trường khảo sát  nhỏ hơn hay ở trung tâm (central field of View) với đường kính 26cm. Như vậy 2 đầu đèn chỉ cần xoay ¼ vòng tròn là toàn bộ hình ảnh của tim có thể thu được với độ phân giải thời gian là 75mili giây. Các bộ dữ liệu hình ảnh khác nhau thu được cùng lúc từ hai đầu đèn hoạt động ở hai mức năng lượng khác nhau. Việc sử dụng hai nguồn tia X riêng biệt cho phép lọc chùm tia và điều chỉnh hướng chùm tia trong mỗi đầu đèn để tối ưu hóa chất lượng hình ảnh. Hình ảnh CT hai mức năng lượng với hai đầu đèn có phần hạn chế về độ phân giải thời gian vì bộ dữ liệu hình ảnh thu được ở mức năng lượng thấp và cao có thời gian hơi khác nhau. Hơn nữa, trường khảo sát có giới hạn (33 cm) để sử dụng trong phân tích hình ảnh có thể cản trở việc đánh giá toàn bộ một số cơ quan vùng bụng ở những bệnh nhân có cơ thể lớn.

Chụp CT hai mức năng lượng với một đầu đèn chuyển đổi nhanh Kilovoltage (Single-Source Scanner with Fast Kilovoltage Switching)⁽⁷⁾:

Chụp CT một đầu đèn với một lớp đầu thu duy nhất (Discovery CT 750HD; GE Healthcare, Milwaukee, Wis) dựa vào một nguồn tia x duy nhất với chuyển đổi nhanh giữa hai mức năng lượng kilovoltage (80kVp và 140 kVp) trong khoảng 0,5 mili giây trong một vòng xoay của đầu đèn để tạo ra phổ tia X mức năng lượng cao và thấp. Đầu đèn không thể thay đổi cùng lúc, nó vẫn không đổi trong cả mức năng lượng cao và thấp. Để phát hiện mức năng lượng đầu ra cao hơn 140 kVp, tỷ lệ thời gian phơi nhiễm tia được thay đổi giữa 80 kVp và 140 kVp để tối đa hóa tỷ lệ tương phản và xảo ảnh (contrast-to-noise ratio): điển hình là 65% thời gian phơi nhiễm được sử dụng cho 80kVp và 35% cho 140 kVp.  Một hệ thống đầu thu với đáp ứng nhanh về mức năng lượng và hệ thống thu thập dữ liệu với tính năng lấy mẫu nhanh được sử dụng để thu được dữ liệu ở mức năng lượng cao xen kẻ với mức năng lượng thấp. Ưu điểm của CT hai mức năng lượng với tốc độ chuyển đổi kilovoltage nhanh là độ phân giải thời gian tốt giữa bộ dữ liệu ở mức năng lượng cao và thấp thu được gần như đồng thời, và tính khả dụng của trường khảo sát 50 cm đầy đủ cho sử dụng trong phân tích hình ảnh. Tuy nhiên, vì một nguồn tia x được sử dụng, sự biến đổi riêng lẻ các chùm tia X năng lượng cao và năng lượng thấp rất khó (sẽ có trên các máy CT có sẵn trên thị trường)và chồng chéo phổ được tăng lên.