Tổng quan nghiên cứu

Thị trường thiết bị chụp cắt lớp quang học kết hợp (OCT) toàn cầu hiện đạt quy mô doanh thu xấp xỉ 1 tỷ USD mỗi năm với hàng chục triệu ca chẩn đoán nhãn khoa được chỉ định thường quy. Tại Hoa Kỳ, việc ứng dụng công nghệ OCT kết hợp phác đồ điều trị thoái hóa hoàng điểm đã giúp chương trình bảo hiểm Medicare tiết kiệm hơn 40 tỷ USD kể từ năm 2008. Tuy nhiên, sự dịch chuyển công nghệ mạnh mẽ từ thế hệ máy OCT miền thời gian (TD-OCT) sang OCT miền quang phổ (SD-OCT) với tốc độ quét siêu nhanh và độ phân giải hiển vi từ 1 đến 15 µm đang tạo ra thách thức kỹ thuật không nhỏ cho hệ thống y tế tại Việt Nam trong công tác vận hành, bảo dưỡng và làm chủ phần cứng quang điện tử.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý kỹ thuật của tác giả Lê Thành Nhân, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Huỳnh Quang Linh tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (nghiên cứu thực hiện từ tháng 2 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 và bảo vệ vào tháng 2 năm 2023), đã giải quyết trực tiếp bài toán thực tiễn này. Đề tài tập trung làm rõ nguyên lý vật lý của dòng máy SD-OCT, lượng hóa các ưu thế kỹ thuật so với TD-OCT và xây dựng quy trình chuẩn hóa cho việc lắp đặt, bảo trì phòng ngừa trên các dòng thiết bị thương mại phổ biến như Carl Zeiss Cirrus HD-OCT 5000 và Primus 200. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng cao khi giúp giảm thiểu khoảng 35% thời gian ngưng máy do sự cố, kéo dài tuổi thọ nguồn phát quang và duy trì độ nhạy tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trên 95 dB phục vụ chẩn đoán võng mạc chính xác cho hàng nghìn lượt bệnh nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được phát triển dựa trên nền tảng lý thuyết giao thoa kế Michelson có tính kết hợp thấp (Low-Coherence Interferometry) và nguyên lý biến đổi Fourier quang học trong miền phổ tần số. Nguồn sáng trung tâm của hệ thống là đi-ốt siêu phát quang (SLD) với phổ bước sóng phân phối Gaussian, cho phép đạt độ phân giải trục từ 1 đến 15 µm theo hàm tỷ lệ nghịch với độ rộng dải phổ FWHM. Bên cạnh đó, độ phân giải ngang của hệ thống dao động trong khoảng 20 đến 25 µm, được xác định độc lập bởi khẩu độ số (NA) của thấu kính hội tụ và cơ chế quét góc của bộ điện kế XY Galvo.

Bốn khái niệm cốt lõi được luận văn phân tích chuyên sâu gồm: tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tuân theo phân bố photon Poisson, sự khác biệt đường đi quang học (OPD), hàm phân tán điểm (PSF) và ma trận tái tạo hình ảnh cắt lớp 3D (quét A-scan và B-scan). Về mặt lý thuyết, việc ứng dụng bộ đo phổ (spectrometer) và máy ảnh cảm biến dòng Line-scan CCD đa pixel trong SD-OCT giúp tăng độ nhạy SNR thêm từ 20 đến 30 dB so với việc sử dụng đầu dò đơn pixel trên các hệ thống TD-OCT truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp phương pháp phân tích mô hình giải tích và thực nghiệm đo kiểm thông số kỹ thuật trên thiết bị thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 2 hệ thống máy chụp cắt lớp thương mại đại diện là Carl Zeiss Cirrus HD-OCT 5000 và Primus 200, cùng bộ mắt giả tiêu chuẩn (phantom eye) được thử nghiệm qua hơn 50 chu kỳ đo đạc lặp lại ở các trạng thái căn chỉnh quang sai khác nhau. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích (purposive sampling), tập trung vào các dòng thiết bị SD-OCT đang chiếm hơn 80% thị phần tại các bệnh viện mắt tại Việt Nam nhằm bảo đảm tính ứng dụng chuyển giao trực tiếp.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích quang phổ và kiểm chuẩn điện tử là nhằm định lượng chính xác các thông số vật lý không thể nhận biết bằng mắt thường, bao gồm: mức suy giảm công suất phát của nhánh SLD, độ suy hao tín hiệu giao thoa, độ lệch tọa độ chùm tia quét của bộ gương Galvo và sai lệch tiêu cự của camera quan sát mống mắt (Iris Camera). Dữ liệu thực nghiệm được thu thập liên tục trong 10 tháng (từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2022), đối chiếu trực tiếp với các tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà sản xuất Carl Zeiss và quy chuẩn an toàn bức xạ quang học nhãn khoa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm đã đem lại bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, về tốc độ thu thập dữ liệu, hệ thống SD-OCT đạt vận tốc quét từ 18.000 đến 27.000 lần quét A-scan mỗi giây, nhanh hơn từ 45 đến 100 lần so với tốc độ chỉ khoảng 400 A-scan/giây của máy TD-OCT. Thời gian thu nhận trọn vẹn tập dữ liệu 3D kích thước 200 x 200 x 1024 điểm ảnh chỉ mất 2 giây, giảm tới 99.8% thời gian xử lý so với các nguyên mẫu thử nghiệm ban đầu (từng mất đến 30 phút).

Thứ hai, về chất lượng quang học, độ nhạy và tỷ lệ SNR của SD-OCT thể hiện ưu thế vượt trội với mức tăng từ 20 đến 30 dB, cho phép phát hiện mức phản xạ tín hiệu của mẫu mô sinh học ở ngưỡng cực thấp R = 10^-10, tái hiện sắc nét cấu trúc võng mạc, màng bồ đào và hắc mạc dày từ 0.1 đến 0.2 mm.

Thứ ba, về nguyên nhân gây suy giảm hình ảnh lâm sàng, kết quả khảo sát thực tế chỉ ra rằng hơn 60% trường hợp ảnh OCT bị mờ hoặc suy giảm độ tương phản bắt nguồn từ lớp bụi bẩn bám trên hệ thống gương phản xạ và việc kỹ thuật viên sử dụng sai dung dịch vệ sinh làm xước lớp tráng phủ quang học.

Thứ tư, về các lỗi vận hành phần cứng, hiện tượng mất tín hiệu xem trước (preview) hoặc dừng quét thường do công suất diode SLD bị suy giảm quá mức hoặc công suất tăng vọt kích hoạt cơ chế ngắt bảo vệ an toàn (SLD cut-off), kết hợp với hiện tượng lệch tâm chùm tia quét của bộ XY Galvo vượt quá 15% góc nhìn.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội toàn diện của SD-OCT bắt nguồn từ việc loại bỏ hoàn toàn cụm gương chuyển động cơ học tịnh tiến trong nhánh tham chiếu, thay thế bằng gương cố định và cách tử nhiễu xạ quang phổ. Dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu có thể được biểu diễn một cách mạch lạc thông qua bảng so sánh hiệu năng đa thông số (tốc độ quét, SNR, độ phân giải) và biểu đồ suy giảm đường cong SNR theo độ sâu quang học. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố học thuật quốc tế của Wojtkowski và nhóm nghiên cứu MIT. Luận văn khẳng định việc ổn định công suất nguồn SLD và hiệu chuẩn đồng trục giữa chùm quét OCT với đèn định thị là hai yếu tố then chốt để loại bỏ ảnh giả (artifact) do cử động mắt.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ kết quả nghiên cứu và thực tế bảo trì, luận văn đề xuất bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

  1. Thiết lập quy trình làm sạch hệ quang học định kỳ 3 tháng một lần: Kỹ sư thiết bị y tế tại bệnh viện cần sử dụng cồn Isopropyl quang học độ tinh khiết 99.9% và giấy lau chuyên dụng để vệ sinh bề mặt gương phản xạ, hướng tới mục tiêu duy trì tỷ lệ SNR ổn định trên 95 dB và giảm 40% nguy cơ tái lỗi mờ ảnh.
  2. Kiểm chuẩn công suất nguồn phát SLD và hiệu chỉnh XY Galvo mỗi 6 tháng: Bộ phận kỹ thuật vật lý y sinh thực hiện đo kiểm công suất quang bằng máy đo chuyên dụng (Optical Power Meter), duy trì độ lệch tâm chùm tia quét dưới 2 µm nhằm triệt tiêu hoàn toàn sự cố ngắt mạch bảo vệ an toàn (SLD cut-off).
  3. Chuẩn hóa quy trình sao lưu dữ liệu hình ảnh định kỳ hàng tuần: Kỹ thuật viên vận hành kích hoạt tính năng New Archive trên phần mềm quản lý của máy Cirrus HD-OCT 5000, bảo đảm 100% hồ sơ của 50 đến 80 bệnh nhân mỗi ngày được lưu trữ an toàn, tránh phân mảnh bộ nhớ và lỗi treo ứng dụng khi khởi động.
  4. Tổ chức đào tạo thao tác căn chỉnh camera mống mắt và đèn định thị trong vòng 30 ngày: Trưởng khoa mắt phối hợp với đơn vị cung cấp thiết bị tổ chức tập huấn kỹ thuật cho toàn bộ nhân sự vận hành, giúp rút ngắn thời gian căn chỉnh mắt bệnh nhân từ 45 giây xuống dưới 15 giây cho mỗi lượt chụp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho bốn nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư y sinh và kỹ thuật viên bảo trì trang thiết bị y tế: Nắm vững cấu trúc sơ đồ khối phần cứng, nguyên lý giao thoa kết hợp thấp, quy trình hiệu chuẩn camera mống mắt và phương pháp khắc phục lỗi phần cứng trên dòng máy Cirrus HD-OCT 5000.
  2. Bác sĩ nhãn khoa và kỹ thuật viên chẩn đoán hình ảnh mắt: Hiểu sâu bản chất vật lý của hình ảnh cắt lớp với độ phân giải 1 đến 15 µm, từ đó phân biệt chuẩn xác giữa tổn thương giải phẫu học và ảnh giả quang học (artifact) trong quá trình đọc kết quả.
  3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật, Kỹ thuật Y sinh: Khai thác cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh về quang học lượng tử, quang học y sinh, biến đổi Fourier tín hiệu và thiết kế hệ thống quang điện tử y tế.
  4. Cán bộ quản lý trang thiết bị bệnh viện và đơn vị phân phối thiết bị nhãn khoa: Ứng dụng bảng tiêu chuẩn bảo dưỡng định kỳ để xây dựng quy trình kiểm định chất lượng, tối ưu hóa chi phí vận hành và giảm thiểu tối đa thời gian gián đoạn hoạt động của hệ thống máy OCT.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ SD-OCT mang lại những ưu thế kỹ thuật nào vượt trội hơn so với TD-OCT? SD-OCT loại bỏ gương chuyển động cơ học, sử dụng máy đo phổ ghi nhận toàn bộ bước sóng đồng thời. Nhờ đó, tốc độ quét tăng từ 45 đến 100 lần (đạt 18.000 A-scan/giây) và độ nhạy tín hiệu SNR cao hơn từ 20 đến 30 dB so với công nghệ TD-OCT.

Các yếu tố vật lý nào quyết định trực tiếp đến độ phân giải của máy OCT? Độ phân giải trục (từ 1 đến 15 µm) phụ thuộc tỷ lệ nghịch vào dải thông quang phổ của nguồn diode siêu phát quang SLD theo phân phối Gaussian. Trong khi đó, độ phân giải ngang (từ 20 đến 25 µm) được quyết định độc lập bởi khẩu độ số NA của thấu kính hội tụ.

Nguyên nhân phổ biến nhất khiến hình ảnh chụp OCT bị mờ hoặc mất tín hiệu xem trước là gì? Trong thực tế, hơn 60% trường hợp xuất phát từ bụi bẩn bám trên hệ gương phản xạ hoặc do lau gương sai dung môi. Ngoài ra, việc công suất diode SLD sụt giảm dưới ngưỡng hoặc bộ quét XY Galvo bị lệch tâm cũng khiến máy tự động ngắt chùm tia quét.

Luận văn đã tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm trên những dòng máy cụ thể nào? Đề tài tập trung nghiên cứu trực tiếp trên dòng máy Carl Zeiss Cirrus HD-OCT 5000 và Primus 200. Đây là hai dòng máy SD-OCT chủ lực đang chiếm hơn 80% thị phần tại các cơ sở nhãn khoa lớn ở Việt Nam, mang lại giá trị tham chiếu thực tiễn cao.

Việc áp dụng quy trình bảo trì chuẩn hóa mang lại hiệu quả kinh tế ra sao cho cơ sở y tế? Quy trình bảo trì tối ưu giúp duy trì tỷ lệ tín hiệu SNR trên 95 dB, giảm khoảng 35% thời gian ngừng máy do sự cố và kéo dài tuổi thọ nguồn phát quang SLD đắt tiền, đảm bảo công suất phục vụ từ 50 đến 80 bệnh nhân mỗi ngày một cách liên tục.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Lê Thành Nhân đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu với những đóng góp nổi bật:

  • Hệ thống hóa sâu sắc cơ sở lý thuyết quang học kết hợp thấp và nguyên lý biến đổi Fourier ứng dụng trong công nghệ chẩn đoán hình ảnh nhãn khoa.
  • Lượng hóa chính xác ưu thế của thế hệ SD-OCT với tốc độ quét vượt trội gấp 45 đến 100 lần và độ nhạy SNR tăng 20 đến 30 dB so với thế hệ TD-OCT.
  • Xây dựng thành công quy trình chuẩn cho công tác căn chỉnh bộ quét XY Galvo, kiểm soát ngưỡng công suất diode SLD và đồng trục camera mống mắt.
  • Đúc kết các giải pháp xử lý sự cố thực tiễn, phân tích nguyên nhân suy giảm chất lượng quang học và tối ưu hóa quy trình bảo dưỡng phòng ngừa.
  • Cung cấp tài liệu cẩm nang kỹ thuật thực hành chuyên sâu cho các hệ thống máy SD-OCT của Carl Zeiss đang vận hành tại Việt Nam.

Trong lộ trình từ 6 đến 12 tháng tới, quy trình cần được tiếp tục mở rộng thử nghiệm trên các hệ thống OCT quét tần số (SS-OCT) nhằm gia tăng độ sâu khảo sát quang học. Kính mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư y sinh và chuyên gia nhãn khoa tham khảo toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM để ứng dụng hiệu quả vào thực tế chuyên môn!