Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị chụp cắt lớp điện toán dùng trong công nghiệp

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
1Số 49 - Tháng 12/2016
	 Chụp	cắt	lớp	điện	toán	CT	cũng	khác	với	
chụp	hiện	hình	bức	xạ	(Radiography).	Chụp	cắt	
lớp	cho	hình	ảnh	phân	bố	mật	độ	của	lát	cắt,	còn	
hiện	hình	bức	xạ	(thường	gọi	là	chụp	phim	trong	
kiểm	tra	không	phá	hủy	NDT)	hay	chụp	X	quang	
trong	y	tế	là	hình	ảnh	chiếu	lên	tấm	phim	2	chiều	
theo	mật	độ	của	vật	thể.	Nếu	chụp	phim	chỉ	cần	
một	lần	rọi	tia	bức	xạ	qua	vật	thể	để	hiện	hình	lên	
bản	phim	thì	chụp	cắt	lớp	cần	rất	nhiều	tia	chiếu	
đơn	quét	qua	toàn	bộ	tiết	diện	của	vật	thể	ở	tất	cả	
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN
DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP
Chụp cắt lớp điện toán (Computed Tomography) là kỹ thuật tạo ra hình ảnh phân bố mật độ 
của lát cắt vật thể bằng các thuật toán tái tạo hình ảnh (Image Reconstruction Algorrithm) trên cơ sở 
thu nhận tập hợp các chùm tia bức xạ xuyên qua lát cắt của vật thể. Hình ảnh thu được ở dưới dạng 
tiết diện ngang (2 chiều) đối với 1 lát cắt hoặc hình khối (3 chiều) đối với nhiều lát cắt kết hợp lại với 
nhau. Chụp cắt lớp lần đầu tiên được phát minh vào năm 1972 bởi Godfrey Hounsfield - một kỹ sư 
người Anh và Allan Cormack - một nhà vật lý người Mỹ. Hounsfield và Cormack sau đó đã được giải 
thưởng Nobel cho những cống hiến của họ cho khoa học và y khoa. Từ chụp cắt lớp hình ảnh mật độ 
vật thể bằng chùm tia truyền qua được phát minh lúc đầu, sau này đã phát triển các kỹ thuật tương tự 
với bức xạ phát xạ từ vật thể SPECT và PET trong y khoa. Tuy nhiên, do thói quen người ta vẫn dùng 
từ viết tắt “CT” để chỉ kỹ thuật chụp cắt lớp bằng phương pháp truyền qua.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
2 Số 49 - Tháng 12/2016
các	góc	xoay.	Thuật	 toán	 sử	dụng	để	dựng	ảnh	
phân	bố	mật	độ	từ	tập	hợp	số	liệu	truyền	qua	của	
tất	cả	các	tia	chiếu	là	một	trong	những	bí	quyết	
công	nghệ	phức	tạp	nhất.	
Hình 1. Nguyên lý của chụp phim (trên) 
và chụp cắt lớp (dưới).
	 Không	chỉ	được	sử	dụng	trong	y	khoa,	kỹ	
thuật	CT	cũng	được	sử	dụng	để	nghiên	cứu	vật	
liệu	và	cấu	trúc	mẫu	vật,	kiểm	tra	không	phá	hủy,	
khảo	sát	ăn	mòn,	tắc	nghẽn,	theo	dõi	dòng	chảy	
và	phân	bố	các	pha	chất	lưu	trong	thiết	bị	công	
nghệ
	 Kỹ	thuật	chụp	cắt	lớp	được	đưa	vào	Việt	
Nam	từ	1991	với	máy	CT	đầu	tiên	tại	Bệnh	viện	
Việt	-	Xô.	Đến	nay	cả	nước	có	khoảng	6	thiết	bị	
PET/CT	và	22	thiết	bị	xạ	hình	gamma	camera	và	
SPECT,	mỗi	năm	phục	vụ	hàng	ngàn	bệnh	nhân	
[Thông	 tin	 Khoa	 học	 và	 Công	 nghệ	 hạt	 nhân,	
No.36,	9/2013].	Ngành	điện	quang	trong	y	tế	của	
Việt	Nam	cũng	được	đánh	giá	có	tốc	độ	phát	triển	
nhanh	trong	khu	vực.	Các	kết	quả	nghiên	cứu	với	
PET/CT	 đã	 khẳng	 định,	 thiết	 bị	 này	 giúp	 chẩn	
đoán	với	độ	nhạy	và	độ	chính	xác	cao	các	 loại	
ung	thư	nguyên	phát,	chẩn	đoán	phân	biệt	u	lành	
và	u	ác	tính,	di	căn,	tái	phát,	giúp	đánh	giá	kết	quả	
điều	trị,	 theo	dõi	sau	điều	trị.	PET/CT	làm	thay	
đổi	chiến	thuật	điều	trị	ở	30-40%	số	bệnh	nhân	
ung	thư,	giúp	dự	báo	sớm	kết	quả	điều	trị	[Khoa	
học	và	phát	triển,	30/3/2016].
	 Tuy	nhiên,	hệ	thống	năng	lực	khoa	học	và	
công	nghệ	hạt	nhân	cả	về	nghiên	cứu	và	đào	tạo	
trong	lĩnh	vực	hình	ảnh	hạt	nhân	còn	chưa	được	
phát	triển	tương	ứng	để	đáp	ứng	nhu	cầu	hỗ	trợ	
kỹ	thuật	trong	tư	vấn,	vận	hành	và	khai	thác	hiệu	
quả	thiết	bị.	
	 Nhận	thấy	sự	cần	thiết	phải	xây	dựng	năng	
lực	khoa	học	công	nghệ	trong	lĩnh	vực	hình	ảnh	
hạt	nhân,	năm	2007,	hướng	nghiên	cứu	về	hình	
ảnh	hạt	nhân	được	Trung	tâm	Ứng	dụng	kỹ	thuật	
hạt	 nhân	 trong	 công	 nghiệp	 (thuộc	 Viện	 Năng	
lượng	 nguyên	 tử	 Việt	 Nam)	 được	 chính	 thức	
khởi	động.	Bằng	kinh	phí	lấy	từ	Quỹ	phát	triển	
sự	nghiệp	của	Trung	tâm,	sau	6	tháng	tìm	hiểu	và	
thử	nghiệm,	mẫu	thiết	bị	chụp	cắt	lớp	đầu	tiên	đã	
được	tạo	ra	với	cấu	hình	vật	thể	tự	xoay,	nguồn	
gamma	và	detector	chuẩn	trực	chuyển	động	quét	
tịnh	 tiến.	Thuật	 toán	 tái	 tạo	 ảnh	 dựa	 trên	 phép	
Chiếu	ngược	và	Chiếu	ngược	có	 lọc.	Hình	 ảnh	
CT	đầu	tiên	có	độ	phân	giải	khoảng	3,0	mm,	cho	
phép	phân	biệt	các	vật	liệu	như	nhôm,	thép,	nhựa	
và	cát.
Hình 2. Thiết bị chụp cắt lớp công nghiệp 
thế hệ thứ nhất GORBIT của Trung tâm CANTI 
trong triển lãm dầu khí.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
3Số 49 - Tháng 12/2016
Phát	huy	kết	quả	ban	đầu,	Đề	tài	cấp	Cơ	
sở	2009	được	đề	xuất	nhằm	nghiên	cứu	thiết	kế	
chế	tạo	mẫu	thiết	bị	CT	theo	nguyên	lý	thế	hệ	thứ	
nhất	để	ứng	dụng	trong	khảo	sát	ăn	mòn,	khuyết	
tật	đường	ống.	Sản	phẩm	của	đề	tài	là	thiết	bị	CT	
được	 đặt	 tên	GORBIT,	 có	 cấu	 hình	một	 nguồn	
một	đầu	dò	sử	dụng	chùm	 tia	gamma	đơn	quét	
tịnh	 tiến	và	xoay	xung	quanh	vật	 thể.	Để	 thích	
hợp	với	mục	đích	khảo	sát	đường	ống	trên	hiện	
trường,	thiết	bị	GORBIT	có	thể	mở	ra	để	gá	lắp	
vào	đường	ống	ở	mọi	góc	nghiêng,	đường	kính	
ống	 cực	 đại	 đến	 600	mm.	Độ	 phân	 giải	 không	
gian	3	mm.	Phần	mềm	điều	khiển,	 thu	nhận	số	
liệu	được	viết	tích	hợp	cho	phép	đồng	bộ	các	hoạt	
động	của	thiết	bị.	Phần	mềm	tái	tạo	hình	ảnh	từ	
bộ	số	liệu	thu	nhận	được	viết	 trên	2	thuật	 toán:	
Lặp	đại	số	và	Chiếu	ngược	có	lọc.	Thuật	toán	Kỳ	
vọng	tối	đa	được	hoàn	thiện	1	năm	sau	khi	đề	tài	
kết	thúc.	Trên	thực	tế,	đề	tài	cấp	Cơ	sở	nên	kinh	
phí	cũng	khá	khiêm	tốn	(60	triệu)	so	với	nội	dung	
thực	hiện	của	đề	tài.	Vì	vậy,	Trung	tâm	đã	hỗ	trợ	
kinh	 phí	 từ	Quỹ	 phát	 triển	 sự	 nghiệp	 để	 đề	 tài	
hoàn	thành	nhiệm	vụ.
	 Thiết	bị	GORBIT	đã	được	 triển	khai	 tại	
hiện	trường	khảo	sát	điểm	nghi	ngờ	ăn	mòn	của	
tuyến	ống	ngầm	dầu	khí	Bà	Rịa.	Kết	quả	thật	khả	
quan.	GORBIT	đã	được	vận	hành	ở	2	 chết	 độ:	
quét	nhanh	để	định	vị	vùng	có	khuyết	tật	ăn	mòn	
lớn	nhất	và	chụp	cắt	lớp	đường	ống	tại	vị	trí	có	
mức	độ	ăn	mòn	lớn	nhất.	Ảnh	CT	cho	thấy	vết	ăn	
mòn	bên	trong	sâu	tới	quá	nửa	bề	dày	thành	ống,	
mất	khoảng	70%	vật	liệu.	Kết	quả	được	chuyển	
giao	để	Công	 ty	xử	 lý	gia	cố	đường	ống.	Thiết	
bị	GORBIT	được	IAEA	đánh	giá	cao	về	sự	đơn	
giản	 trong	kết	cấu	và	 thao	 tác	 lắp	đặt	 trên	hiện	
trường,	phần	mềm	tái	tạo	dựng	ảnh	linh	hoạt,	cho	
độ	 tương	 phản	 tốt,	 khắc	 phục	 được	 nhiễu	 nền.	
IAEA	đã	đặt	 hàng	Trung	 tâm	cung	 cấp	 thiết	 bị	
GORBIT	và	tổ	chức	đào	tạo	huấn	luyện	sử	dụng	
thiết	bị	 cho	7	phòng	 thí	nghiệm	 trong	và	ngoài	
khu	vực.	Tại	Phòng	thí	nghiệm	Ứng	dụng	đồng	
vị	 của	 PINSTEC	 (Pakistan),	 thiết	 bị	 GORBIT	
của	Việt	Nam	được	sử	dụng	trong	chương	trình	
nghiên	cứu	mô	phỏng	động	học	dòng	chảy	2	pha	
trong	hệ	tải	nhiệt.	Kết	quả	từ	hình	chụp	cắt	 lớp	
được	 sử	 dụng	 làm	 bằng	 chứng	 thực	 nghệm	 để	
đánh	giá	kết	quả	tính	toán	mô	phỏng.	
	 Mặc	 dù	 có	 độ	 phân	 giải	 tốt	 nhưng	 thời	
gian	tiến	hành	một	phép	chụp	lát	cắt	vật	thể	bằng	
GORBIT	như	đường	ống	có	đường	kính	khoảng	
600	mm	mất	khoảng	9	giờ.	Thời	gian	chụp	ngoài	
hiện	trường	lâu	như	vậy	gặp	phải	rất	nhiều	khó	
khăn	do	thời	gian	thi	công	bị	hạn	chế,	sự	thăng	
giáng	 nhiệt	 độ	 trong	 ngày,	 ảnh	 hưởng	 của	 thời	
tiết...	Cần	phải	 rút	ngắn	 thời	gian	chụp	và	đảm	
bảo	độ	phân	giải	 cần	 thiết	 của	 ảnh.	Các	 thế	hệ	
CT	từ	thứ	hai	trở	đi	sử	dụng	chùm	tia	phân	kỳ	kết	
hợp	nhiều	đầu	dò	xếp	theo	dãy	có	thể	tăng	số	tia	
quét	trong	cùng	một	phép	đo,	rút	ngắn	thời	gian	
chụp.	Tuy	 nhiên	 chụp	 cắt	 lớp	 ở	 các	 thế	 hệ	 sau	
cũng	đòi	hỏi	những	giải	pháp	khá	phức	tạp	kèm	
theo,	liên	quan	đến	điện	tử	hạt	nhân	như	đầu	dò	
và	hệ	điện	tử	xử	lý	tín	hiệu	và	thu	nhận	số	liệu	
sau	đầu	dò;	thuật	toán	hiệu	chỉnh	chùm	tia	phân	
kỳ	trong	phần	mềm	tái	tạo	hình	ảnh;	chuẩn	hóa	
các	tín	hiệu	từ	đầu	dò	và	thiết	kế	hệ	cơ	khí	và	điều	
khiển	chuyển	động	phù	hợp.	Nếu	giải	quyết	thành	
công	các	vấn	đề	trên,	xây	dựng	được	hệ	chụp	cắt	
lớp	thứ	hai	hay	thứ	ba	thì	rõ	ràng	trình	độ	chuyên	
môn	và	năng	 lực	của	Nhóm	nghiên	cứu	về	các	
lĩnh	vực	liên	quan	như	vật	lý	hạt	nhân,	thuật	toán,	
xây	dựng	phần	mềm,	điện	tử	hạt	nhân,	điều	khiển	
tự	 động,	 thiết	 kế	 chế	 tạo	 cơ	 khí	 và	 trình	 độ	 tổ	
chức	 thực	hiện	các	nhiệm	vụ	nghiên	cứu	có	độ	
phức	tạp	cao	sẽ	được	nâng	lên	một	tầm	mức	mới.	
Một	 yếu	 tố	 nữa	 cũng	phải	 tính	đến	 là	 kinh	phí	
thực	hiện.	Có	thể	nói,	thời	gian	và	độ	phân	giải	
ảnh	chụp	cắt	lớp	tỷ	lệ	nghịch	với	giá	thành.	Một	
máy	chụp	CT	y	tế	có	thời	gian	chụp	cơ	thể	người	
trong	khoảng	3	s	có	giá	thành	đến	triệu	đô	la.	
	 Trên	cơ	sở	thiết	bị	chụp	cắt	lớp	truyền	qua	
GORBIT,	Nhóm	nghiên	cứu	cũng	đã	tạo	ra	thiết	
bị	 chụp	cắt	 lớp	hình	ảnh	phát	xạ	đơn	quang	 tử	
(Single	Photon	Emission	Computed	Tomography	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
4 Số 49 - Tháng 12/2016
-	SPECT).	Trên	thiết	bị	GORBIT,	2	đầu	dò	chuẩn	
trực	được	đặt	đối	xứng	qua	vật	thể	để	ghi	nhận	
bức	xạ	gamma	phát	ra	từ	vật	thể.	Các	thí	nghiệm	
được	 tiến	 hành	 trên	 mẫu	 vật	 có	 vật	 liệu	 từ	 đá	
granite	 và	 dung	 dịch	 Iode	 phóng	 xạ	 được	 bơm	
vào	lấp	đầy	khoảng	trống	giữa	các	viên	đá.	Trước	
tiên,	hình	ảnh	CT	của	mẫu	vật	được	tạo	ra,	tiếp	
theo	 là	 hình	 ảnh	SPECT	ghi	 nhận	phân	bố	 của	
các	chất	phóng	xạ.	Việc	kết	hợp	SPECT/CT	được	
thực	hiện	ở	khâu	cuối	cùng	cho	hình	ảnh	phân	bố	
chất	phóng	xạ	trong	cấu	trúc	cứng	của	mẫu	vật.
	 Đề	tài	“Nghiên	cứu	thiết	kế	chế	tạo	thiết	
bị	 chụp	 cắt	 lớp	điện	 toán	ứng	dụng	 trong	công	
nghiệp	dầu	khí	tại	Việt	Nam”	do	Trung	tâm	Ứng	
dụng	kỹ	thuật	hạt	nhân	trong	công	nghiệp	chủ	trì	
thực	hiện	trong	chương	trình	trọng	điểm	cấp	Nhà	
nước	mã	số	KC.05/11-15,	giai	đoạn	2011	-	2015	
đặt	vấn	đề	nghiên	cứu	chế	 tạo	 thiết	bị	chụp	cắt	
lớp	công	nghiệp	thế	hệ	thứ	3	nhằm	cải	thiện	thời	
gian	chụp	và	độ	phân	giải	của	ảnh	chụp.	
Hình 3. Thiết bị chụp cắt lớp công nghiệp 
thế hệ thứ ba cải tiến COMET của Trung tâm 
CANTI trong triển lãm TECHMART 2015.
	 Sản	phẩm	của	đề	 tài	 là	 thiết	bị	chụp	cắt	
lớp	có	tên	COMET.	Thiết	bị	được	tích	hợp	2	cấu	
hình	 của	 thế	 hệ	 thứ	 2	 và	 thế	 hệ	 thứ	 3	 cải	 tiến.	
Thế	hệ	thứ	hai	gồm	dãy	8	đầu	dò	LYSO	tích	hợp	
thành	module	thu	nhận	và	xử	lý	tín	hiệu,	thế	hệ	
thứ	3	cải	tiến	gồm	12	đầu	dò	NaI	xếp	thành	hình	
vòng	cung	(fan-beam).	Thiết	bị	có	 thể	chụp	cắt	
lớp	đường	ống	có	đường	kính	tối	đa	600	mm,	ảnh	
512	x	512	pixel,	độ	phân	giải	không	gian	1	mm,	
thời	gian	 thao	 tác	chụp	khoảng	2	h.	Phần	mềm	
điều	khiển,	thu	nhận	số	liệu	được	tích	hợp	đồng	
bộ.	Thuật	toán	tái	tạo	hình	ảnh	bao	gồm	3	thuật	
toán:	Tái	tạo	đại	số,	Chiếu	ngược	có	lọc	và	Tối	ưu	
hóa	kỳ	vọng.	Tùy	theo	đối	tượng	và	chất	lượng	số	
liệu	thu	được	có	thể	lựa	chọn	sử	dụng	thuật	toán	
phù	hợp.
	 Trên	 thực	 tế	có	những	nhu	cầu	khảo	sát	
lát	cắt	của	những	vật	thể	lớn	như	tháp	xử	lý	hóa	
chất	hay	chưng	cất	dầu	mỏ,	đường	kính	đến	vài	
mét.	Rõ	ràng,	không	thể	chế	tạo	thiết	bị	chụp	cắt	
lớp	cho	vật	thể	có	kích	thước	lớn	như	vậy,	nhất	là	
điều	kiện	hiện	trường	của	nhà	máy	thường	phức	
tạp,	 không	 gian	 bố	 trí	 tháp	 và	 cấu	 kiện	 đường	
ống,	giá	đỡ	 rất	 chật	hẹp	khiến	cho	việc	 lắp	đặt	
thiết	bị	khảo	sát	bên	ngoài	không	khả	thi.	Trong	
trường	hợp	này,	giải	pháp	là	cấu	hình	thế	hệ	thứ	
4	gồm	hàng	loạt	các	đầu	dò	được	đặt	xung	quanh	
thành	tháp,	nguồn	phóng	xạ	được	đặt	trong	ống	
hơi	cho	phép	chạy	vòng	xung	quanh	chu	vi	tháp.	
Một	vòng	chạy	của	nguồn	cho	1	phép	chụp	cắt	
lớp.	Đề	 tài	 cấp	Bộ	 2017-2018	 đặt	 ra	 nhiệm	vụ	
nghiên	cứu	xây	dựng	cấu	hình	chụp	cắt	lớp	thế	hệ	
thứ	4	cho	vật	thể	kích	thước	lớn.
Trải	qua	gần	10	năm	hình	thành	và	phát	
triển	Nhóm	nghiên	cứu	hình	ảnh	hạt	nhân,	Trung	
tâm	đã	xây	dựng	được	nhóm	làm	việc	gồm	các	
thành	viên	có	các	chuyên	môn	về	vật	lý	hạt	nhân,	
thuật	toán	tái	tạo	hình	ảnh,	điện	tử,	tự	động,	cơ	
khí	chính	xác.	Nhóm	đã	tạo	ra	các	sản	phẩm	đặc	
trưng	của	công	nghệ	chụp	cắt	 lớp	thế	hệ	 từ	 thứ	
nhất,	thứ	hai	đến	thứ	ba	cải	tiến.	Thiết	bị	và	thuật	
toán	cho	SPECT	cũng	đã	được	hoàn	thành.	Thành	
công	này	khẳng	định	năng	lực	nghiên	cứu	chế	tạo	
các	thiết	bị	CT	trong	ứng	dụng	công	nghiệp	của	
Trung	tâm.
Ở	các	nước	công	nghiệp,	các	thiết	bị	CT	
được	sử	dụng	khá	phổ	biến	trong	các	phòng	thí	
nghiệm	nghiên	 cứu	về	vật	 liệu,	 động	học	dòng	
chảy	và	phân	bố	pha	trong	phản	ứng	hóa	học.	Ở	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
5Số 49 - Tháng 12/2016
Việt	Nam	nhu	cầu	sử	dụng	thiết	bị	CT	cho	nghiên	
cứu	hầu	như	chưa	có,	vì	thế	hạn	chế	khả	năng	ứng	
dụng	của	thiết	bị.	
Hình 4. Thiết bị chụp SPECT công nghiệp 
của Trung tâm CANTI (trên) và ảnh SPECT/CT 
(dưới).
Tuy	 nhiên,	 nhu	 cầu	 sử	 dụng	CT	 và	 các	
thiết	bị	hình	ảnh	hạt	nhân	trong	nghiên	cứu,	đào	
tạo	vật	lý	y	sinh	lại	rất	lớn.	Để	phục	vụ	nhu	cầu	
này,	cần	phải	tạo	ra	các	thiết	bị	CT	chụp	vật	thể	
sinh	học,	giá	thành	vừa	phải,	thân	thiện	với	người	
dùng	và	 có	độ	 an	 toàn	 cao	để	 trang	bị	 cho	 các	
Trung	tâm	đào	tạo	vật	lý	y	sinh.	Trước	đây,	các	
thiết	bị	CT	công	nghiệp	đã	được	tạo	ra	dựa	trên	
nguồn	gamma	và	các	dầu	dò	NaI	thì	để	chuyển	
sang	mục	tiêu	mới	trong	y	tế	cần	phải	trang	bị	các	
máy	phát	tia	X	và	detector	mảng	thích	hợp.	Cần	
đầu	tư	cơ	sở	vật	chất	đáng	kể	cho	Nhóm	nghiên	
cứu	để	có	những	bước	phát	triển	tiếp	theo./.
Nguyễn Hữu Quang
Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân 
trong công nghiệp