Các nhà nghiên cứu tại Đại học Houston (UH) đã phát triển một hệ thống chụp X-quang “single-shot” sử dụng mặt nạ đơn (single-mask), cho phép thu đồng thời ba loại độ tương phản – attenuation (suy giảm), differential phase (pha vi phân) và dark-field (trường tối) – chỉ từ một lần chụp X-quang. Lợi ích chính của phương pháp này là giảm liều bức xạ, rút ngắn thời gian chụp và dễ tích hợp vào hệ thống X-quang hiện có, giúp an toàn hơn cho bệnh nhân, đặc biệt trẻ em và động vật nhỏ. Nó bổ sung cho X-quang truyền thống bằng cách làm rõ các cấu trúc tinh vi như mô mềm hoặc khuyết điểm vật liệu. Nghiên cứu này, được công bố trên Optica và arXiv, có thể cải thiện đáng kể khả năng phát hiện chi tiết vi mô mà không cần thiết bị phức tạp.
Từ lâu, chụp X-quang và chụp cắt lớp vi tính (CT) truyền thống chủ yếu dựa vào đo lường sự suy giảm cường độ tia X khi đi qua vật liệu. Tuy nhiên, phương pháp này hạn chế trong việc phát hiện các thay đổi tinh vi ở mô mềm hoặc cấu trúc vi mô, nơi hệ số suy giảm tương đồng (ví dụ: mô phổi hoặc ung thư giai đoạn sớm). Các kỹ thuật nâng cao như X-ray phase-contrast imaging (XPCI) và dark-field imaging đã được đề xuất từ những năm 2000, nhưng thường yêu cầu nguồn tia đồng pha (coherent sources như synchrotron), detector độ phân giải cao, hoặc nhiều lần phơi sáng với chuyển động cơ học – dẫn đến thời gian dài, liều bức xạ cao, và chi phí lớn.
Nhóm nghiên cứu tại UH, dẫn đầu bởi Jingcheng Yuan (nghiên cứu sinh vật lý) và Giáo sư Mini Das (tại Cullen College of Engineering và College of Natural Sciences and Mathematics), đã khắc phục những hạn chế này bằng cách phát triển hệ thống “single-shot, single-mask”. Nghiên cứu được công bố ngày 25/11/2025, nhấn mạnh khả năng thu ba loại contrast từ một lần chiếu tia X polychromatic (đa sắc) thông thường, không cần nguồn đặc biệt. Ý nghĩa rộng lớn: phương pháp này có thể “cầu nối” từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng lâm sàng và công nghiệp, phù hợp với xu hướng toàn cầu giảm liều bức xạ (theo khuyến nghị của IAEA) và tăng độ chính xác chẩn đoán.
Hệ thống dựa trên việc sử dụng một mặt nạ hấp thụ định kỳ (periodic absorption mask) để tạo ra các chùm tia nhỏ (beamlets), cho phép trích xuất thông tin đa contrast từ tín hiệu detector.
– Attenuation Contrast: Đo sự suy giảm cường độ tia X do hấp thụ, hiệu quả cho vật liệu mật độ cao như xương.
– Differential Phase Contrast (DPC): Đo sự lệch pha (phase shift) do chỉ số khúc xạ khác biệt, làm tia X uốn cong ở biên giới cấu trúc. Độ lệch góc nhỏ (micro-radian) được phát hiện qua sự dịch chuyển beamlets. DPC tăng cường hình ảnh ranh giới và hình dạng, đặc biệt hữu ích cho mô mềm.
– Dark-Field Contrast (DF): Đo tán xạ góc nhỏ (ultra-small-angle X-ray scattering – USAXS) từ cấu trúc vi mô (sub-micron), như lỗ khí trong phổi hoặc rỗ vật liệu. DF làm mờ pattern mặt nạ, tạo tín hiệu “trường tối” phản ánh sự không đồng nhất vi mô.
Mặt nạ là tấm kim loại nặng (ví dụ: vàng, chu kỳ 53 μm, khe mở 20 μm) đặt giữa nguồn tia X và detector. Có ba cấu hình tối ưu:
– Cấu Hình DPC: Chu kỳ mặt nạ = 2 × kích thước pixel detector (p), beamlets căn chỉnh ở biên pixel chẵn/lẻ.
– Cấu Hình DF: Tương tự, nhưng beamlets trung tâm pixel chẵn/lẻ, tạo pattern tương phản cao.
– Cấu Hình DF-DPC: Chu kỳ = 3p, tạo pattern ba pixel (hai sáng, một tối), kết hợp cả DPC và DF.
Mô hình vật lý dựa trên phương trình vận chuyển ánh sáng (light transport equation) từ Fokker-Planck. Đối với từng cấu hình, các công thức trích xuất (retrieval equations) được suy ra.
Thiết Lập Thực Nghiệm:
– Nguồn: Ống tia X micro-focus polychromatic (Hamamatsu L8121-03, 40-60 kV, spot 7-50 μm).
– Detector: Photon-counting WidePix (pixel 55 μm, dày 500 μm).
– Mẫu: Phantom đa vật liệu (que graphite, hạt nhựa, bột kim cương); bột kim cương (kích thước hạt 0-80 μm); cá khô.
Kết quả cho thấy DF nhạy cảm với hạt sub-micron, robust với spot nguồn lớn và năng lượng đa dạng.
Thử nghiệm trên phantom đa vật liệu: DPC tăng cường biên giới, DF làm nổi bật cấu trúc vi mô (graphite và kim cương), trong khi attenuation chỉ hiển thị cơ bản. Với bột kim cương, DF phân biệt kích thước hạt (tín hiệu mạnh nhất ở 0.25-3 μm). Hình ảnh cá khô: DF tiết lộ chi tiết vi mô vô hình trong attenuation.
So Sánh Các Cấu Hình Mặt Nạ
| Cấu Hình | Chu Kỳ Mặt Nạ | Độ Nhạy Chính | Ưu Điểm | Nhược Điểm |
| DPC | 2p | Phase shift | Tăng cường biên giới, hình dạng | Ít nhạy với tán xạ vi mô |
| DF | 2p | Scattering | Phát hiện cấu trúc sub-micron | Độ nhạy phase thấp hơn |
| DF-DPC | 3p | Kết hợp | Cân bằng phase và scattering | Tương phản DF thấp hơn DF thuần |
So Sánh Với Phương Pháp Truyền Thống
| Tiêu Chí | X-Quang Truyền Thống | Phương Pháp Nâng Cao Trước (e.g., Grating-Based) | Phương Pháp Mới (Single-Mask) |
| Số Lần Phơi Sáng | 1 | 10-20 | 1 |
| Liều Bức Xạ | Trung bình | Cao | Thấp |
| Yêu Cầu Nguồn | Polychromatic | Coherent (synchrotron) | Polychromatic |
| Độ Phân Giải Detector | Thấp | Cao | Thấp |
| Thời Gian Chụp | Ngắn | Dài (có chuyển động) | Ngắn (không chuyển động) |
Phương pháp mang lại độ nhạy cao hơn với thay đổi vi mô, giảm liều bức xạ (lợi ích cho nhi khoa và nghiên cứu động vật), và chi phí thấp nhờ tích hợp dễ dàng. Trong y tế: chẩn đoán sớm COPD, ung thư phổi (phát hiện thay đổi túi khí), sàng lọc ung thư vú liều thấp. Trong công nghiệp: phân tích đá dầu khí, kiểm tra khuyết tật linh kiện (petroleum, materials research); an ninh: kiểm tra phi phá hủy kiện hàng.
Hạn Chế Và Thách Thức:
– Cần căn chỉnh mặt nạ chính xác; nhạy cảm với rung động.
– Chưa thử nghiệm rộng trên mô người; cần đánh giá lâm sàng (e.g., tương quan với MRI/CT).
– Giới hạn phát hiện tổn thương rất nhỏ cần tối ưu hóa thông số (e.g., chu kỳ mặt nạ).
– Bước tiếp theo: Thử nghiệm trên mẫu sinh học phức tạp, tích hợp AI để trích xuất tự động.
Phương pháp single-mask của UH đánh dấu sự chuyển dịch từ hình ảnh đơn contrast sang đa contrast, mở ra kỷ nguyên chẩn đoán chính xác hơn với liều thấp. Với tiềm năng tích hợp rộng rãi, nó có thể thay đổi y học và công nghiệp toàn cầu. Tuy nhiên, cần thêm nghiên cứu để vượt qua thách thức kỹ thuật và lâm sàng.
Từ khóa: X-quang;
– CMD –
