Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST 14 453 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẤU HÌNH CHUẨN TRỰC[.]
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 TÍNH TỐN THIẾT KẾ CẤU HÌNH CHUẨN TRỰC LỖ KIM THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP PHÁT XẠ ĐỘNG VẬT NHỎ BẰNG CODE MÔ PHỎNG MCNP5 PINHOLE COLLIMATOR DESIGN FOR SMALL ANIMAL SINGLE PHOTON EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY USING MCNP5 SIMULATION CODE NGUYỄN NGỌC NHẬT ANH, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY, NGUYỄN THANH CHÂU Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp Số 01 - DT 723 - Phường 12 - Đà Lạt - Lâm Đồng Email: anhnnn@canti.vn Tóm tắt: Thiết bị chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ thiết kế có độ phân giải cao nhiều so với thiết bị SPECT lâm sàng dựa vào hệ thống đầu dị nhạy vị trí kích thước nhỏ chuẩn trực dạng lỗ kim Báo cáo trình bày kết tính tốn để thiết kế tối ưu cấu hình chuẩn trực phương pháp mơ Monte Carlo Code MCNP5 sử dụng để xây dựng cấu hình mơ bao gồm mảng đầu dị nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8mm; vật mẫu có đường kính 50 mm cách mảng đầu dò 200 mm, phantom mảng đầu dò chuẩn trực lỗ kim chì dày 10 mm với đường kính chiều cao kênh thay đổi phục vụ cho việc khảo sát Dựa vào kết thu sau tiến hành chạy mô phỏng, để đảm bảo độ phân giải không gian tối thiểu 1.5 mm, độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi khoảng cách 200mm tỷ số tín hiệu nhiễu đạt 70% giá trị tối đa theo yêu cầu thiết kế khoảng tối ưu đường kính lỗ kim từ 0.6 mm đến 0.75 mm, chiều dài kênh lỗ kim từ mm đến mm Các kết thể khoảng tối ưu đường kính chiều dài kênh sử dụng cho thiết kế thiết bị mẫu SPECT Từ khóa: Phương pháp Monte Carlo, chuẩn trực lỗ kim, SPECT động vật nhỏ, độ phân giải không gian, độ nhạy Abstract: The small animal Single Photon Emission Computed Tomography (small animal SPECT) equipment is designed with a spatial resolution higher than clinical SPECT by using a small size position sensitive detector system and pinhole collimator This report presents the results of calculation to find the optimal parameters of the pinhole collimator including pinhole diameter and channel height by using Monte Carlo simulation The MCNP5 code was used to build the simulation configuration including a position sensitive NaI(Tl) array detector of size 50x50x8mm, the 50mm diameter phantom placed at a distance of 200mm from the array detector and 10 mm thickness lead pinhole collimator between the phantom and the detector with variable diameter and channel height for investigating The results showed that to ensure a minimum spatial resolution of 1.5 mm, minimum sensitivity of 0.2 cps/µCi at a distance of 200mm, and the signal to noise ratio about 70% of maximum value according to design requirements, the optimal range of the pinhole diameter is around 0.6mm to 0.75mm, the channel length is from 4mm to 8mm The determined parameters of pinhole will be used for design of the SPECT prototype device Keywords: Monte Carlo method, pinhole collimator, mini-SPECT, spatial resolution, sensitivity MỞ ĐẦU Trong năm gần có nhiều nghiên cứu hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ dựa thiết bị chụp cắt lớp SPECT sử dụng chuẩn trực lỗ kim (pinhole) mảng đầu dị NaI(Tl) có sử dụng mảng ống nhân quang nhạy vị trí (PSPMT) [1-4] Đặc biệt chuẩn trực lỗ kim thiết bị SPECT giúp cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hữu dụng cho việc đánh giá vị trí phân bố mật độ chất đánh dấu phóng xạ bên mẫu động vật nhỏ Mục đích nghiên cứu tìm kích thước tối ưu đường kính chiều dài kênh dẫn chuẩn trực lỗ kim cho hình ảnh SPECT đạt có độ phân giải khơng gian độ nhạy đầu dị tối ưu phương pháp mơ Monte Carlo để phục vụ đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị mẫu miniSPECT ứng dụng mẫu chuột phục vụ nghiên cứu y khoa”, mã số ĐTCB.04/20/TTUDKTHN Code MCNP5 sử dụng để đánh giá ảnh hưởng tham số thiết kế chuẩn trực lỗ kim thiết bị mẫu mini-SPECT lên độ phân giải không gian độ nhạy NỘI DUNG 2.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1.1 Cấu hình mơ MCNP5 Cấu hình thí nghiệm mơ MCNP5 thiết kế Hình nhằm đánh giá ảnh hưởng thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim lên độ phân giải không gian độ nhạy, với khoảng cách từ tâm nguồn Technetium-99m (Tc-99m) có lượng 140 keV [1] đến bề mặt mảng đầu dị nhạy vị trí NaI(Tl) 453 Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others 200 mm, nguồn mảng đầu dị bố trí chuẩn trực lỗ kim Trong mảng đầu dị nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8 mm chia thành mạng 64x64 ô Khi khảo sát ảnh hưởng thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim đến độ nhạy nguồn Tc-99m hình cầu có đường kính 10 mm đặt tâm phatom hình cầu vật liệu tương đương với mơ động vật sống có đường kính 50 mm sử dụng [1], khảo sát ảnh hưởng thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim đến độ phân giải khơng gian nguồn điểm Tc-99m sử dụng thay cho nguồn cầu phantom nói [1] Hình Cấu hình mơ chuẩn trực lỗ kim MCNP Cấu hình chuẩn trực lỗ kim cần khảo sát mô MCNP5 thể Hình 2, để khảo sát ảnh hưởng thông số thiết kế pinhole đến độ phân giải khơng gian đường kính lỗ kim D thay đổi từ 0.5 mm đến mm chiều dài kênh H thay đổi từ mm (cạnh pinhole dạng lưỡi dao) đến 10 mm (cạnh pinhole dạng đáy thuyền) Khi thay đổi hai thông số góc mở phải thay đổi cho bao phủ hết kích thước phantom mảng đầu dị Hình Cấu hình mơ pinhole với đường kính pinhole D, chiều dài kênh H, góc mở 2.1.2 Phương pháp xác định phạm vi đường kính tối ưu pinhole Để xác định khoảng tối ưu đường kính pinhole cần phải khảo sát thay đổi độ phân giải độ nhạy theo đường kính pinhole cách sử dụng nguồn điểm Tc-99m cho độ phân giải không gian nguồn Tc-99m hình cầu cho độ nhạy cấu hình mơ MCNP5 nói phần [1] Sau ứng với chiều dài kênh từ 0mm đến 6mm ta thay đổi đường kính pinhole từ 0.5mm đến 2mm với bước 0.25mm cấu hình mơ Sau kết thúc q trình chạy mơ phỏng, đường cong tradeoff biễu diễn thay đổi độ phân giải không gian độ nhạy theo đường kính pinhole xác định Trong nghiên cứu đường kính pinhole phải nằm khoảng mà độ phân giải không gian tối thiểu 1.5 mm độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi theo yêu cầu thiết kế thiết bị mẫu mini-SPECT động vật nhỏ khuôn khổ đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu chế tạo thiết bị mẫu mini-SPECT ứng dụng mẫu chuột phục vụ nghiên cứu y khoa”, mã số ĐTCB.04/20/TTUDKTHN 454 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 2.1.3 Phương pháp xác định phạm vi tối ưu chiều dài kênh dẫn pinhole Để xác định khoảng tối ưu chiều dài kênh dẫn pinhole cần phải khảo sát thay đổi độ nhạy tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) theo chiều dài pinhole [1] cách sử dụng nguồn Tc-99m hình cầu, để đảm bảo độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi độ phân giải không gian tối thiểu 1.5 mm giá trị đường kính pinhole tối ưu xác định mục sử dụng, ta thay đổi chiều dài kênh từ mm đến 10 mm theo bước mm ứng với đường kính tối ưu cấu hình mơ MCNP5 Chiều dài kênh phải nằm khoảng mà độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi 70% giá trị SNR lớn đường cong SNR Với Ptotal tổng tín hiệu mơ giá trị SNR tính sau: SRN = Ptotal /Noise (1) 2.1.4 Mơ cấu hình mini-SPECT động vật nhỏ dựa kích thước chuẩn trực lỗ kim tối ưu Sau xác định kích thước tối ưu chuẩn trực lỗ kim qua hai phương pháp trên, cấu hình thiết bị mẫu mini – SPECT sử dụng chuẩn trực lỗ kim có kích thước tối ưu mơ MCNP5 với mục đích tạo số liệu mô phục vụ cho việc xây dựng phương pháp tái tạo hình ảnh SPECT Mẫu phantom có vật liệu tương đương mơ động vật sống, đường kính 30mm, bên có nguồn Tc-99m hình cầu, đường kính 4mm bố trí thành đường chéo mơ tả hình Hình Phantom sử dụng cấu hình mơ mini-SPECT sử dụng chuẩn trực có kích thước lỗ kim tối ưu 2.2 Kết mơ tính tốn tìm kích thước tối ưu cho chuẩn trực lỗ kim 2.2.1 Kết xác định phạm vi đường kính tối ưu chuẩn trực lỗ kim Hình Đường cong tradeoff chiều dài kênh mm Hình Đường cong tradeoff chiều dài kênh mm 455 Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others Hình Đường cong tradeoff chiều dài kênh mm Hình Đường cong tradeoff chiều dài kênh mm Các kết mô thể đường cong tradeoff từ Hình đến Trong để đạt độ phân giải không gian tối thiểu 1.5 mm độ nhạy tối thiếu 0.2 cps/µCi phạm vi tối ưu đường kính pinhole ứng với chiều dài kênh từ đến 6mm từ 0.6mm đến 0.75mm 2.2.2 Xác định phạm vi tối ưu chiều dài kênh dẫn chuẩn trực lỗ kim Như xác định phạm vi tối ưu đường kính pinhole từ 0.6 mm đến 0.75 mm Để đảm bảo độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi độ phân giải khơng gian tối thiểu 1.5 mm đường kính 0.75 mm sử dụng cố định thay đổi chiều dài kênh cấu hình mơ Kết mơ thể Hình 9, để đạt độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi chiều dài kênh tối đa mm, để đạt mức 70% SNR cực đại chiều dài kênh tối thiểu mm Hình Đường cong độ nhạy thay đổi theo chiều dài kênh đường kính lỗ kim 0.75mm Hình Đường cong tỷ số tín hiệu nhiễu 456 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 2.2.3 Hình chiếu hình ảnh tái tạo SPECT từ số liệu mơ Hình 10 cấu hình mơ MCNP với mẫu phantom mơ tả hình 9, chuẩn trực lỗ kim có đường kính 0.75mm, chiều dài kênh 4mm Hình chiếu lát cắt, hình chiếu góc chiếu (planar imaging) hình ảnh SPECT 3D mẫu phatom quan sát được trình bày hình 11 Hình 10 Mơ MCNP cấu hình SPECT với kích thước chuẩn trực tối ưu Hình 11 Hình chiếu lát cắt, hình chiếu góc chiếu (planar imaging) kết tái tạo ảnh SPECT 3D mẫu phantom góc quan sát 2.3 Bàn luận Mặc dù khác cấu hình mơ kết nghiên cứu tương đồng với kết nghiên cứu tác giả khác đường kính lỗ kim (pinhole) tăng lên độ phân giải khơng gian độ nhạy tăng lên ngược lại thể Hình đến Hình Trong độ nhạy suy giảm tăng chiều dài kênh dẫn thể Hình 8, tỷ số tín hiệu nhiễu đạt đến mức bão hịa giá trị cực đại thể Hình Điều cho thấy thơng số thiết kế chuẩn trực lỗ kim có ảnh hưởng lớn đến độ phân giải không gian độ nhạy Từ kết xác định khoảng tối ưu đường kính từ 0.6mm đến 0.75mm, chiều dài kênh chuẩn trực lỗ kim từ 4mm đến 8mm để đạt độ nhạy đạt tối thiểu 0.2 cps/µCi độ phân giải không gian tối thiểu 1.5mm theo yêu cầu đề tài Kết tái tạo ảnh SPECT từ số liệu mô theo thông số nêu cho chất lượng tốt, có độ phân giài khơng gian cao, nhiễu không đáng kể KẾT LUẬN Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải không gian độ nhạy thay đổi thông số thiết kế chuẩn trực pinhole khảo sát đánh giá phương pháp mơ Monte Carlo nhằm mục đích tính tốn, thiết kế, phát triển cấu hình chuẩn trực lỗ kim tối ưu cho thiết bị mẫu mini-SPECT ứng dụng động vật nhỏ 457 Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others Các kết mô thu áp dụng việc thiết kế cấu hình thiết bị mẫu mini – SPECT hồn chỉnh phục vụ nghiên cứu phát triển phương pháp thuật toán tái tạo ảnh SPECT, đồng thời làm sở cho việc chế tạo thiết bị mẫu mini – SPECT thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Tae Yong Song, Yong Choi, “Optimization of Pinhole Collimator for Small Animal SPECT Using Monte Carlo Simulation”, IEEE TRANSACTION ON NUCLEAR SCIENCE, VOL 50, JUNE 2003 S E Strand, “Small animal imaging with pinhole single photon emission computed tomography”, Cancer, vol 73, pp 981-4, 1994 D A Weber, M Ivanovic, “Pinhole SPECT: An approach to in vivo high resolution SPECT imaging in small laboratory animals”, J Nucl Medicine, vol 35, pp 342-8, 1994 K Ogawa, T Kawade, K Nakamura, “Ultra high resolution pinhole SPECT for small animal study”, IEEE Trans Nucl Sci., vol 45, pp 3122-6, 1998 458 ... [1] Hình Cấu hình mơ chuẩn trực lỗ kim MCNP Cấu hình chuẩn trực lỗ kim cần khảo sát mơ MCNP5 thể Hình 2, để khảo sát ảnh hưởng thơng số thiết kế pinhole đến độ phân giải không gian đường kính lỗ. .. số thiết kế chuẩn trực pinhole khảo sát đánh giá phương pháp mô Monte Carlo nhằm mục đích tính tốn, thiết kế, phát triển cấu hình chuẩn trực lỗ kim tối ưu cho thiết bị mẫu mini-SPECT ứng dụng động. .. /Noise (1) 2.1.4 Mơ cấu hình mini-SPECT động vật nhỏ dựa kích thước chuẩn trực lỗ kim tối ưu Sau xác định kích thước tối ưu chuẩn trực lỗ kim qua hai phương pháp trên, cấu hình thiết bị mẫu mini –