50 năm chiếc máy chụp CT đầu tiên cho bác sĩ nhìn thấu bên trong hộp sọ

Hounsfield đã tạo ra được chiếc máy kỳ diệu, giải đáp được trăn trở của mình về khả năng “nhìn vào bên trong chiếc hộp kín mà không cần mở nó ra”.

Godfrey Hounsfield đứng bên máy quét EMI-Scanner vào năm 1972. Ảnh: Getty Images

Khả năng những món đồ quý giá được cất giấu trong những căn phòng bí mật có thể khơi dậy nhiều trí tưởng tượng. Vào giữa thập niên 1960, kỹ sư người Anh Godfrey Hounsfield đã băn khoăn liệu có thể phát hiện ra những khu vực bí ẩn như vậy bên trong kim tự tháp Ai Cập bằng cách chụp các tia vũ trụ đi qua những khoảng trống không quan sát được.

Trong nhiều năm, Hounsfield trăn trở với ý tưởng “nhìn vào bên trong chiếc hộp kín mà không cần mở nó ra”. Cuối cùng ông xác định được cách thức sử dụng các tia năng lượng cao để hé lộ những gì vô hình với mắt thường.

Hounsfield thành công với phát minh ra cách để nhìn vào bên trong hộp sọ và chụp ảnh bộ não của con người. Ông chưa bao giờ tới Ai Cập để khám phá những căn phòng bí mật trong kim tự tháp, nhưng phát minh đó đã đưa ông đến Stockholm nhận giải Nobel và đến Điện Buckingham nhận tước Hiệp sĩ.

Kỹ sư điện sáng tạo

Hounsfield sinh ra ở Sutton-on-Trent, vùng Nottinghamshire, Anh năm 1919. Từ khi còn nhỏ, ông đã thích mày mò mở ráp những thiết bị điện và cơ khí. Khi bắt đầu Thế chiến thứ hai, Hounsfield gia nhập Không quân Hoàng gia Anh, nhưng không phải với tư cách một người lính. Hounsfield là một “phù thủy” với máy móc điện, đặc biệt là với chiếc radar mới được phát minh để giúp các phi công tìm đường trở về nhà tốt hơn trong đêm tối và trời nhiều mây.

Sau chiến tranh, Hounsfield tiếp tục học và lấy bằng kỹ sư. Ông làm việc cho EMI, công ty sau đó nổi tiếng với hoạt động thu âm và kinh doanh các album của nhóm nhạc huyền thoại The Beatles, nhưng khởi đầu lại tập trung vào điện tử và kỹ thuật điện.

Tài năng thiên bẩm của Hounsfield đã giúp ông trở thành người dẫn đầu nhóm chế tạo máy tính lớn (mainframe computer) tiên tiến nhất ở Anh. Nhưng đến thập niên 1960, EMI muốn thoát khỏi thị trường máy tính và họ không biết phải làm gì với một kỹ sư xuất sắc, lập dị.

Trong một kỳ nghỉ, Hounsfield suy nghĩ về tương lai của mình và những gì mình có thể làm cho công ty. Ông đã gặp một bác sĩ phàn nàn về chất lượng chụp X-quang não bộ rất kém. Chụp X-quang chỉ cho thấy những chi tiết kỳ diệu của xương, còn não vẫn là một khối mô vô định hình trên phim. Tất cả trông giống như sương mù. Điều này khiến Hounsfield nghĩ về ý tưởng cũ của mình là “tìm các cấu trúc ẩn mà không cần mở hộp”.

Hé lộ những điều chưa từng thấy

Hounsfield đã đưa ra một phương pháp mới để xử lý vấn đề chụp ảnh bên trong hộp sọ.

Tia X chiếu qua từng lát cắt của não, được định hướng ở mỗi độ trong vòng cung từ 1 đến 180 độ theo hình bán nguyệt.

Đầu tiên, về khái niệm, ông chia bộ não thành các lát liên tiếp – giống như một ổ bánh mì. Sau đó, ông dự định chiếu một loạt tia X qua mỗi lớp, lặp lại điều này với mỗi độ của nửa vòng tròn. Cường độ của mỗi chùm tia sẽ được ghi lại ở phía đối diện của não – và các chùm mạnh hơn cho thấy chúng đã truyền qua vật liệu ít đặc hơn.

Tính toán cường độ của mỗi tia X khi nó đi qua vật thể và sử dụng một thuật toán ấn tượng, có thể tạo ra hình ảnh bên trong “chiếc hộp kín”.

Cuối cùng, có lẽ là phát minh tài tình nhất của mình, Hounsfield đã tạo ra một thuật toán để tái tạo lại hình ảnh của bộ não dựa trên tất cả các lớp này. Sử dụng một trong những máy tính mới nhanh nhất thời đó, ông có thể tính toán giá trị cho từng “hộp nhỏ” của mỗi lớp não.

Nhưng có một vấn đề xảy ra: EMI không tham gia vào thị trường y tế và không muốn nhảy vào. Công ty hoạt động trong lĩnh vực thu âm này vẫn cho phép Hounsfield nghiên cứu sản phẩm của mình, nhưng chỉ với số tiền tài trợ ít ỏi. Ông buộc phải lục tung thùng phế liệu của các cơ sở nghiên cứu và lắp ráp một chiếc máy quét thô sơ, đủ nhỏ để đặt trên bàn ăn.

Ngay cả khi chiếc máy quét thành công các vật thể vô tri vô giác, và sau này là bộ não bò Kosher, thì nguồn tài trợ của EMI vẫn không thấm vào đâu. Hounsfield cần tìm nguồn tài trợ từ bên ngoài nếu muốn chế tạo ra một máy chụp quét não người.

Sơ đồ của máy quét CT có trong bằng sáng chế tại Mỹ của Hounsfield.

Hounsfield là một nhà phát minh tài giỏi, nhưng không phải là một người ngoại giao tốt. May mắn là ông có một ông chủ thông cảm, Bill Ingram – người đã nhìn thấy giá trị trong đề xuất của Hounsfield và đấu tranh với EMI để cho phép dự án tiếp tục.

Thành công với phát hiện khối u não

Bill Ingram biết rằng khoản tài trợ lý tưởng nhất cần đến từ chính phủ, với lý do Bộ Y tế và An sinh xã hội Anh có thể là khách hàng mua thiết bị cho các bệnh viện. Và thật kỳ diệu, Ingram đã bán cho họ 4 máy quét cả trước khi chúng được chế tạo. Lúc này, Hounsfield tổ chức một nhóm kỹ sư, tập trung chế tạo một máy quét não an toàn và hiệu quả với con người.

Nhóm nghiên cứu lắp đặt một máy quét kích thước đầy đủ tại Bệnh viện Atkinson Morley ở London, và vào ngày 1/10/1971, họ đã quét não bệnh nhân đầu tiên của mình: một phụ nữ trung niên có dấu hiệu bị u não.

Đó không phải là một thủ tục nhanh – mất 30 phút để máy quét, một hành trình lái xe mang những cuốn băng từ chạy xuyên thành phố; 2,5 giờ xử lý dữ liệu trên máy tính lớn của EMI và chụp hình ảnh bằng máy Polaroid trước khi quay trở lại bệnh viện.

Trong hình ảnh chụp CT lâm sàng đầu tiên, khối u não có thể nhìn thấy dưới dạng đốm màu sẫm hơn.

Và các bác sĩ đã nhìn thấy ở thùy trán bên trái của bệnh nhân là một khối u nang có kích thước bằng quả mận. Với phát minh đó, mọi phương pháp chụp ảnh não khác trở thành lỗi thời.

Hàng triệu lần chụp CT mỗi năm

EMI, vốn không có kinh nghiệm trong thị trường y tế, đột nhiên giữ độc quyền với một thiết bị y tế có nhu cầu rất lớn. Máy quét do Hounsfield phát minh được đưa vào sản xuất và bán rất chạy. Nhưng chỉ trong vòng 5 năm sau, các công ty lớn hơn, giàu kinh nghiệm hơn với nhiều năng lực nghiên cứu hơn như GE và Siemens đã sản xuất ra những máy chụp CT tốt hơn và tăng mạnh doanh số bán hàng. EMI sau đó phải rời khỏi thị trường.

Nhà Vua Thụy Điển, Carl Gustaf trao giải Nobel cho Hounsfield ở Stockholm vào ngày 11/12/1979. Ảnh: Getty Images

Phát minh của Hounsfield đã biến đổi nền y học thế giới. Ông được trao giải Nobel Y sinh năm 1979 và được Nữ hoàng Anh phong tước Hiệp sĩ vào năm 1981. Hounsfield tiếp tục với những phát minh cho đến khi ông qua đời vào năm 2004, ở tuổi 84.

Năm 1973, Robert Ledley, người Mỹ, đã phát triển một máy quét toàn thân có thể ghi lại hình ảnh các cơ quan khác, mạch máu và tất nhiên là cả xương. Máy quét hiện đại nhanh hơn, cung cấp độ phân giải tốt hơn, và quan trọng nhất, bệnh nhân thực hiện quy trình ít tiếp xúc với bức xạ hơn.

Chụp cắt lớp CT hiện đại cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hơn nhiều so với hình ảnh “lát cắt” não ban đầu của Hounsfield vào năm 1971.

Đến năm 2020, các kỹ thuật viên đã thực hiện hơn 80 triệu lần quét CT hàng năm ở Mỹ. Một số bác sĩ cho rằng con số này là quá mức và có thể 1/3 là không cần thiết. Mặc dù điều đó có thể đúng, nhưng chụp CT đã mang lại lợi ích cho sức khỏe của nhiều bệnh nhân trên khắp thế giới, giúp xác định khối u và xác định xem có cần phẫu thuật hay không. Chúng đặc biệt hữu ích trong việc tìm kiếm nhanh các tổn thương bên trong não sau tai nạn.

Và hãy nhớ lại ý tưởng của Hounsfield về các kim tự tháp. Năm 1970, các nhà khoa học đã đặt máy dò tia vũ trụ trong buồng thấp nhất trong Kim tự tháp Khafre. Họ kết luận rằng không có căn phòng bí ẩn nào tồn tại bên trong kim tự tháp này. Vào năm 2017, một nhóm nghiên cứu khác đã đặt máy dò tia vũ trụ ở Đại kim tự tháp Giza và tìm thấy một căn phòng ẩn giấu nhưng không thể tiếp cận được. Và ít có khả năng nơi này sẽ sớm được khám phá.