1. CCD và CMOS:
Các bộ thu kiểu này gồm 2 phần:
- Lớp chất nhấp nháy (scintillator): có chức năng biến tín hiệu tia X thành ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Chất nhấp nháy thường được sử dụng là Gadolinium Oxysulfide (GOS), chất này cũng thường được sử dụng để làm màn tăng sáng trong các cassette phim chụp X-quang truyền thống. Ánh sáng do lớp này tạo ra được chuyển đến bộ phận quang điện bằng một hệ thống quang học.
- Bộ phận chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện: sử dụng công nghệ CCD hoặc CMOS
+ CCD (charge-coupled devices): là công nghệ được sử dụng phổ biến trong các máy ảnh số thông thường. CCD thường có kích thước khoảng 2 – 3 cm2, khá nhỏ so với các bộ phận cần chụp X-quang trong thực tế nên người ta cần dùng các hệ thống quang học để thu nhỏ chùm sáng phát ra từ lớp nhấp nháy và có thể cần ghép nhiều CCD để tạo các bộ thu cỡ lớn. Bộ phận quang học này thường là sợi quang hoặc thấu kính. Do phải trải qua nhiều quá trình nên tín hiệu có nhiều nguy cơ bị nhiễu. CCD được một số hãng sử dụng như Swissray, Oy Imix, Imaging Dynamics,…
Hình 2: Cấu tạo CCD camera
+ CMOS (complementary metal oxide semiconductor) cũng là công nghệ tương đương với CCD. Trong lĩnh vực máy ảnh, mức độ phổ biến hai kỹ thuật này là tương đương nhau nhưng trong y tế, CCD được sử dụng phổ biến hơn. CMOS chỉ được một số ít hãng sử dụng như Cares Built,…
CCD và CMOS là các kỹ thuật đã có quá trình phát triển khá dài. Hiện nay, CCD & CMOS vẫn được sử dụng hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên trong lĩnh vực chụp x-quang kỹ thuật số, hầu hết chuyên gia đều cho rằng các bộ thu dạng tấm phẳng (Flat Panel Detector hay FPD) có ưu thế hơn bởi chất lượng hình ảnh cao và thiết kế gọn hơn.
2. Bộ thu dạng tấm phẳng (FPD):
FPD ứng dụng các kỹ thuật điện tử mới nhằm cải tiến hệ thống biến đổi quang – điện, giúp tăng chất lượng hình ảnh và thu gọn kích thướcbộ thu. Các FPD trên thị trường hiện nay có kích thước giống như với các cassette phim X-quang truyền thống. Dù bên ngoài các tấm này có vẻ giống nhau nhưng các kỹ thuật bên trong có thể có sự khác biệt. Có nhiều cách phân loại FPD, nếu dựa vào cơ chế biến đổi từ tia X ra tín hiệu điện thì có thể chia ra thành loại trực tiếp (direct) và gián tiếp (in-direct)
Hình 3: So sánh kỹ thuật gián tiếp và trực tiếp
2.1. FPD gián tiếp:
Thuật ngữ gián tiếp để chỉ tia X không được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện mà vẫn phải trải qua một quá trình biến đổi thành ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Điểm này của FPD giống với bộ thu sử dụng CCD và CMOS. Các FPD gián tiếp gồm các phần chính như sau (hình 4):
Hình 4: Cấu tạo của bộ thu kiểu gián tiếp (nguồn: J. A. Seibert, UC Davis Medical Center)
- Bộ phận nhấp nháy (scintillator): có chức năng biến tín hiệu tia X thành ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Hai chất thường được sử dụng là Gadolinium Oxysulfide (GOS) và Cesium Iodide (CsI). Ánh sáng tạo ra và truyền qua lớp nhấp nháy này có thể bị tán xạ, suy giảm,…làm giảm chất lượng hình ảnh, đặc biệt là độ phân giải. CsI với cấu trúc dạng kim, có tính chất dẫn ánh sáng tốt hơn GOS nên cho chất lượng ảnh cao hơn nhưng giá thành cũng cao hơn.
Hình 5: So sánh tính chất phát sáng của CsI và GOS (nguồn: Hamamatsu)
- Photodiode: photodiode loại a-Si thường được sử dụng trong các FPD gián tiếp. Bộ phận này giúp biến đổi ánh sáng phát ra từ bộ nhấp nháy thành tín hiệu điện dưới dạng điện tích. Điện tích tạo ra sẽ được lưu trong các tụ.
- TFT (Thin Film Transitor): giúp đọc các tín hiệu điện tạo ra bởi các photodiode và được lưu trong các tụ. TFT là một loại IC diện tích rộng được chế tạo bằng cách ngưng tụ một số chất bán dẫnlên một bản mỏng (ví dụ thủy tinh). Điểm lợi thế của TFT so với CCD hay CMOS là có thể chế tạo với kích thước lớn nên không cần các bộ phận quang học nhằm hội tụ và thu nhỏ hình ảnh. Chất bán dẫn sử dụng cho TFT của các FPD gián tiếp thường là silic vô định hình (Amorphous silicon hay a-Si).
Đa số các FPD gián tiếp trên thị trường hiện nay có kích thước điểm ảnh từ 100x100 µm đến 200x200 µm. Một số hãng sản xuất tấm FPD như: GE, Trixell, Canon, Kodak, Fujifilm,…
2.2. FPD trực tiếp:
Thuật ngữ trực tiếp để chỉ tia X được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện mà không cần giai đoạn biến đổi thành ánh sáng nhìn thấy. FPD dạng này gồm các phần như sau (hình 6):
Hình 6: Cấu tạo của bộ thu kiểu trực tiếp (nguồn: Kodak)
- Trên cùng là một lớp điện cực mỏng. Trước khi chiếu tia X, lớp điện cực này sẽ được nối với một hiệu điện thế nhằm tạo ra một điện trường theo phương vuông góc với bề mặt bộ thu.
- Bên dưới lớp điện cực là một lớp chất quang dẫn đặc biệt :selenium vô định hình (amorphous selenium hay a-Se). a-Se được lựa chọn làm chất quang dẫn cho FPD và đây là chất quang dẫn rất nhạy với tia X, dễ chế tạo dạng màng mỏng và cấu trúc bên trong có độ phân giải cao.
- Bên dưới cùng là các điện cực để thu điện tích tạo ra từ lớp chất quang dẫn, các tụ điện để lưu giữ điện tích và TFT để đọc các tín hiệu từ các tụ này.
Do không có quá trình biến tia X thành ánh sáng nên FPD trực tiếp cho hình ảnh chất lượng cao hơn loại gián tiếp. Những tấm FPD loại này có thể cho điểm ảnh nhỏ tới 50x50 µm. Tuy vậy giá thành của FPD trực tiếp đắt và việc sử dụng FPD trực tiếp cũng có một số khó khăn do a-Se là chất nhạy cảm với môi trường nên FPD trực tiếp thường chỉ được sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi chất lượng hình ảnh rất cao như mamography.
Tuy vậy, cũng nên lưu ý rằng sự so sánh các kỹ thuật trên tương ứng với sự phát triển của công nghệ nhưng cũng chỉ mang tính chất tương đối. Tuy có chung nguyên lý nhưng chất lượng bộ thu còn phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật chế tạo của mỗi hãng. Ngoài ra hình ảnh cuối cùng của hệ thống X-quang kỹ thuật số còn phụ thuộc vào các phần cứng, phần mềm xử lý tín hiệu số cũng như xử lý hình ảnh
