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 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GAMMA CAMERA SỬ DỤNG MA TRẬN ỐNG NHÂN QUANG N T HOÀNG[1], N N NAM[1], B N HA[1], Đ N T DUY[2], L V HẢI [2] Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân Công nghiệp Email:nguyentuanhhoang0201@gmail.com,nam.nn175768@sis.hust.edu.vn, ha.buingoc@hust.edu.vn,theduy@canti.vn, hailv@canti.vn Tóm tắt: Gamma camera kĩ thuật xạ hình để chụp xạ gamma phát từ nguồn phóng xạ Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu xây dựng hệ gamma camera sử dụng ma trận 8x8 ống nhân quang kích thước nhỏ sau xử lý tín hiệu ảnh thu Hệ gamma camera bao gồm phần chính: hệ thống chuẩn trực; tinh thể nhấp nháy NaI(Tl); ống nhân quang; mạch thu tín hiệu chuyển đổi hình ảnh Nhóm nghiên cứu xây dựng mạch sử dụng hệ thu tín hiệu như: tiền khuếch thu nhận khuếch đại tín hiệu từ ống nhân quang, mạch tích phân để kéo giãn đỉnh xung nhọn, mạch khuếch đại tạo dạng tín hiệu, mạch định vị trí để xác định vị trí tương tác xạ tinh thể ma trận ống nhân quang Các mạch thiết kế tùy chỉnh để thu hình ảnh với chất lượng tốt Với kích thước nhỏ gọn, hệ gamma camera xây dụng hướng tới ứng dụng hình ảnh hạt nhân an toàn xạ Compton Camera, SPECT tiền lâm sàng, định vị, tìm kiếm nguồn xạ Từ khóa: Ma trận ống nhân quang, Gamma camera, hình ảnh hạt nhân, tái tạo hình ảnh MỞ ĐẦU Gamma Camera (GC) kĩ thuật xạ hình sử dụng để chụp ảnh xạ gamma từ nguồn phóng xạ Hệ GC chế tạo kĩ sư người Mỹ Hal Anger ứng dụng lĩnh vực y học hạt nhân vào năm 1950 Hệ GC sử dụng ống chuẩn trực để loại bỏ xạ tán xạ khỏi hướng ban đầu từ vật thể, sau qua ống chuẩn trực, photon Gamma hấp thụ tinh thể nhấp nháy (thường sử dụng tinh thể NaI(Tl)) chuyển hóa thành photon có bước sóng phổ ánh sáng khả kiến Ống nhân quang thu nhận photon ánh sáng nhìn thấy chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Các tín hiệu điện thu tín hiệu xử lý hiển thị hình ảnh hình [1] GC dùng kỹ thuật chụp hình cắt lớp phát xạ đơn photon SPECT để chẩn đoán khối u Y học Hạt nhân Kể từ chế tạo được, GC sử dụng để ghi nhận hình ảnh xạ, đặc biệt lĩnh vực y tế Gần đây, số hệ GC sử dụng phẫu thuật hạch bạch huyết bệnh nhân ung thư vú [27] Trotta cộng phát triển hệ Gamma Camera sử dụng tinh thể CsI(Na) kết hợp với ma trận ống nhân quang (PSPMT) hệ ống chuẩn trực lỗ song song cho phép thu hình ảnh chụp vật thể với độ phân giải không gian 2.45mm [8] Hệ Gamma Camera nhóm Olcott sử dụng ma trận ống nhân quang (PSPMT) H8500 với tinh thể nhấp nháy NaI(TI) gắn với ống chuẩn trực lỗ song song có độ nhạy cao với kích thước lỗ 1.3mm, độ dày vách ngăn 0.2mm độ dày ống chuẩn trực 2cm [9] Nhóm Fernander thiết kế hệ GC sử dụng khối tinh thể CsI(Na), ma trận ống nhân quang H8500 hệ ống chuẩn trực lỗ 2mm [10] Nhóm Knoll báo cáo đặc điểm hệ Gamma Camera mini dựa bán dẫn với Cadmium-Zinc-Telluride (CZT) kết hợp với ống chuẩn trực lỗ song song với kích thước lỗ 2,16 x 2,16 mm vách ngăn 0,3mm [11] Tại Việt Nam nay, đến hết năm 2017, ngành y tế có 1.400 sở tiến hành công việc xạ, chiếm khoảng 54% tổng số sở sử dụng xạ tất ngành nước[12] Do việc thiết kế chế tạo hệ Gamma Camera cần thiết Tuy nhiên năm qua, nhóm nghiên cứu trọng nghiên cứu, thiết kế hệ Gamma Camera Nhận cần thiết hệ thiết bị Việt Nam, triển khai nghiên cứu hệ thiết bị GC kể từ năm 2019 Bài báo cáo trình bày kết sơ hệ thiết bị GC chế tạo Việt Nam Hệ Gamma Camera thiết kế để đáp ứng yêu cầu sau: xác định xác biên độ tín hiệu, sai lệch vị trí điểm ảnh nhỏ 10%, ma trận điểm ảnh thu phải tuyến tính với dịch chuyển máy Computer Numerical Control (CNC) NỘI DUNG Đối tượng phương pháp 2.1.1 Đối tượng 144 Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator Hệ GC sử dụng ma trận ống nhân quang thu nhận tín hiệu photon lượng thấp phát từ tinh thể nhấp nháy sau q trình hấp thụ photon Gamma từ nguồn phóng xạ Tín hiệu thu từ ống nhân quang đưa vào mạch thu nhận sau gửi lên máy tính để xử lý hiển thị hình ảnh Hình 1: Sơ đồ khối hệ Gamma Camera 13] Hệ GC bao gồm phần sau: khối đầu dò, mạch định vị vị trí tương tác gamma, khối xử lý, mã hóa tín hiệu khối hiển thị Khối đầu dò bao gồm tinh thể nhấp nháy NaI(TI) có kích thước 50 ×50 × mm3 gắn với ma trận ống nhân quang H12700 (Hamamatsu Photonic Co., Nhật Bản) keo quang học Ma trận ống nhân quang μPMT H12700 có diện tích vùng hoạt động 48.5 × 48.5 mm2 Tồn khối đầu dị bao bọc lớp chì dày khoảng 4mm đặt vỏ nhựa Các khối định vị vị trí, xử lý, mã hóa tín hiệu hiển thị xây dựng nhóm nghiên cứu 2.1.2 Phương pháp a Xử lý tín hiệu tương tự Ma trận ống nhân quang H12700 cấu tạo từ 64 ống nhân quang (PMT) độc lập ghép thành mảng kích thước 8×8 Nếu coi ống nhân quang điểm ảnh ta thu hình ảnh có kích thước 8×8 pixel ghi nhận xạ khối đầu dò Mạch định vị vị trí tương tác xạ sử dụng để tạo hình ảnh GC có số lượng điểm ảnh lớn Hình trình bày sơ đồ nguyên lý mạch định vị vị trí cấu tạo từ mạng điện trở Khi xạ tương tác với tinh thể nhấp nháy hình thành chùm sáng nhấp nháy, chùm sáng ghi nhận vài PMT Tín hiệu từ PMT phân bố mạng điện trở từ tạo tính hiệu xác định vị trí A, B, C, D Tọa độ điểm tương tác (x, y) xạ mặt phẳng ma trận PMT tính từ biên độ bốn tín hiệu định vị trí cơng thức AC x (1) A B C D y CD A B C D Để thuận tiện cho việc ghi nhận, tín hiệu định vị vị trí khuếch đại, sau tạo dạng để tạo tín hiệu có độ rộng đỉnh xung phù hợp Tần số cắt mạch tích phân độ dịch pha mạch là: 1 11287 6( Hz) 2 R.C 2 300 47.10 9 arctan( 2 R.C f c ) ( Rad ) fc (2) Giá trị biên độ bốn tín hiệu định vị vị trí phụ thuộc vào vị trí tương tác xạ Tổng bốn tín hiệu có giá trị khơng đổi với tương tác quang điện xảy lớp tinh thể Do đó, để loại bỏ tán xạ gamma tương tác với tinh thể ta phân tích biên độ tín hiệu tổng cộng bốn kênh, giữ lại tương tác có biên độ nằm đỉnh quang điện phổ xạ để tính tốn vị trí tương tác Tín hiệu từ bốn kênh A, B, C, D cộng tương tự với mạch cộng khơng đảo hình thành nên kênh tổng 145 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 Tại kênh tổng, tín hiệu đưa vào so sánh để xác định thời điểm xung vào thời điểm lấy giá trị đỉnh xung Thời điểm xung vào xác định từ tín hiệu so sánh tín hiệu vào tụ C2 điện áp điều ngưỡng chân không đảo so sánh, xung xác định thời điểm tín hiệu vào kí hiệu PuDet Thời điểm lấy đỉnh xung xác định tín hiệu so sánh tín hiệu lặp U1B với tín hiệu lặp U1A, tín hiệu xác định đỉnh kí hiệu PeakOut Hình Hình 3: Nguyên lý mạch xác định xung vào thời điểm lấy giá trị đỉnh xung Tín hiệu định vị vị trí từ kênh A, B, C, D đưa vào mạch khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại 50 Tiếp theo tín hiệu đưa vào mạch bắt đỉnh xung nhằm để xác định giá trị biên độ xung xạ, từ tính tốn vị trí tương tác Do đề tài sử dụng ADC với điện áp tham chiếu 3.3 V, nên trước vào ADC giá trị biên độ bốn kênh cho qua sơ đồ phân áp tạo điện áp vào phù hợp cho ADC b Thu thập xử lý tín hiệu số Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thu thập liệu vi điều khiển trình bày hình 146 Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator Các tín hiệu đầu vào vi điều khiển tín hiệu xác định có xung vào (PuDet) tín hiệu xác định thời điểm lấy giá trị đỉnh xung (PeakOut) tín hiệu điều khiển xung vào (PuEn) tín hiệu điều khiển xả tụ kênh (SWCtrl) thiết lập trạng thái ban đầu Khi máy tính gửi yêu cầu bắt đầu đo, kênh tổng nhận tín hiệu xung vào, tín hiệu xung PuDet đảo mức để thơng báo có xung vào Khi tín hiệu PeakOut chuyển từ mức thấp sang mức cao thời điểm vi điều khiển khóa xung vào đồng thời điều khiển ADC biến đổi giá trị biên độ kênh Sau ADC biến đổi xong, vi điều khiển gửi liệu thu lên máy tính sau gửi tín hiệu mở khóa điện tử để xả điện tích tụ bắt đỉnh (C 4) Cuối cùng, vi điều khiển xuất tín hiệu mở (PuEn) cho phép xung vào sơ đồ, thực phép đo Hình 4: Sơ đồ giải thuật Trên kênh Tổng, q trình hiệu chuẩn tín hiệu bao gồm hiệu chỉnh tín hiệu báo có xung vào (PuDet), hiệu chỉnh tín hiệu xác định đỉnh xung (PeakOut) hiệu chỉnh tín hiệu Analog vào vi điều khiển Hiệu chỉnh tín hiệu báo xung vào (PuDet) cho thời điểm báo xung báo gần với thời điểm giá trị Analog tín hiệu vào bắt đầu tăng, để dễ dàng hiệu chỉnh giá trị ngưỡng thiết lập thông qua biến trở xác Đối với tín hiệu xác định đỉnh xung, tín hiệu từ lặp U1A điều chỉnh biến trở so sánh với lặp U1B thu tín hiệu (PeakOut) xác định đỉnh xung xác Để thu hình ảnh thể phân bố tương tác xạ, bốn xử lý tín hiệu kênh định vị vị trí phải có hệ số khuếch đại Quá trình hiệu chuẩn bốn sơ đồ xử lý thực cách cấp xung vào cho bốn lối vào sơ đồ khuếch đại, sau vi chỉnh hệ số khuếch đại sơ đồ để thu xung có biên độ giống hiển thị vị trí tương tác nằm tâm ảnh thu thể công thức 2 Kết Hình hình mơ tả kết dạng xung tín hiệu lối khối định vị vị trí tương tác, tiền khuếch đại, tạo dạng tín hiệu, báo đỉnh biên độ xung tín hiệu ADC cấp cho vi điều khiển 147 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 Hình 4: Xung từ mạch định vị (1) xung từ mạch tiền khuếch đại (2) Hình 5: xung mạch tiền khuếch đại kênh D(1), xung mạch khuếch đại kênh D(2)xung xác định đỉnh- PeakOut (3), xung vào ADC (4) Để hiệu chỉnh hệ số khuếch đại bốn kênh lấy mẫu, ta cấp tín hiệu có biên độ vào bốn lối vào xử lý tín hiệu, sau tiến hành q trình đo đạc thị vị trí tương tác hình ảnh Kết trình hiệu chỉnh mơ tả hình Điểm sáng tâm ảnh tín hiệu định vị có giá trị Hình 6: Kết hiệu chuẩn tín hiệu kênh A, B, C, D cấp xung tín hiệu Để loại bỏ tương tác tán xạ tinh thể, ta cần hiển thị phổ xạ sau cắt ngưỡng, lấy tương tác nằm vùng đỉnh quang điện Phổ biên độ nguồn Americium 241 đo hệ GC thể hình 148 Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator Đỉnh quang điện Hình 7: Phổ biên độ nguồn Am-241 Hình mơ tả kết kiểm tra độ tuyến tính của ma trận điểm ảnh với dịch chuyển máy CNC (vị trí điểm nguồn) bề mặt tinh thể Nguồn xạ đươc gắn ống chuẩn trực có kích thước lỗ mm, vị trí điểm nguồn đo đạc cách tịnh tiến nguồn ống chuẩn trực bề mặt tinh thể, với bước dịch chuyển 4.25 mm Hình hình 10 thể hình ảnh hai vật thể đơn giản chụp thiết bị GC Kết tính tốn giá trị kích thước hình ảnh thu được, đồng thời so sánh với giá trị đo đạc thực tế thể bảng Hình 8: Ma trận điểm ảnh tuyến tính với dịch chuyển máy CNC Ø Ø h a) 149 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 b ) b) Hình 9: a) Kích thước mẫu chụp , b) ảnh chụp mẫu W a) H b ) b) thước mẫu chụp 2, b) ảnh chụp từ mẫu chụp Hình 10: a) Kích Bảng 1: Bảng so sánh kích thước thực mẫu kích thước đo ảnh Mẫu Mẫu Mẫu Kích thước thực (mm) - Ø1 6.04 ± 0.32 - Ø23.02 ± 0.14 - h: 6.12 ± 0.10 - H: 27 ± 0.12 - W:8 ± 0.22 Thực đo ảnh (mm) - Ø1 5.77 ± 0.98 - Ø2 3.05 ± 0.98 - h: 5.97 ±0.98 - H: 27.05 ± 0.98 - W: 8.05 ± 0.98 BÀN LUẬN Kết từ hình hình rằng, sơ đồ xử lý tín hiệu kênh tín hiệu hoạt động chức Sơ đồ khuếch đại có khả loại bỏ ồn nhiễu từ lối đầu dò Thời điểm xuất đỉnh xung nhận diện xác sơ đồ bắt đỉnh xung (sườn lên xung số hình 5) Giá trị biên độ xung kéo dài phục vụ cho việc biến đổi ADC (giản đồ xung số hình 5) Xung vào xử lý có độ rộng 30 µs, tốc độ đếm cực đại kênh vào khoảng 33.333 xung/s Để tăng tốc độ xử lý xung ta sử dụng linh kiện có tốc độ nhanh hơn, rút ngắn thời gian thực phép chụp ảnh Từ công thức ta thấy, cấp vào lối vào bốn mạch định vị tín hiệu có giá trị biên độ nhau, ta thu điểm ảnh khung hiển thị ảnh Sau vi chỉnh hệ số khuếch đại mạch xử lý, ta thu kết hình Ta thấy, hình ảnh thu xuất 150