DỊ ẢNH TRONG CT MÔ PHỎNG
Dị ảnh trên ảnh CT
Trong quy trình xạ trị, kết quả của công đoạn chụp CT mô phỏng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của việc lập kế hoạch và điều trị Chất lượng ảnh mô phỏng tốt sẽ gia tăng độ chính xác trong đánh giá lập kế hoạch Tuy nhiên, ảnh chụp CT mô phỏng thu được phụ thuộc vào nhiều yếu tố khó kiểm soát như thiết bị, kỹ thuật chụp, bệnh nhân dẫn đến chất lượng ảnh bị suy giảm; đôi khi đã tạo nên những sai lệch trong việc lập kế hoạch và điều trị Đặc biệt, chất lượng ảnh suy giảm đáng kể khi có các bất thường xuất hiện trên ảnh do các bộ phận kim loại được gắn vào bệnh nhân Ví dụ, các bệnh nhân ung thư đầu cổ có vấn đề về răng miệng, sử dụng răng giả hoặc hàn răng, khi tiến hành chụp CT mô phỏng cho ra hình ảnh xuất hiện các dị ảnh dạng vệt và thường bị nhân viên lâm sàng bỏ qua Trong các cơ chế gây ra dị ảnh do kim loại như trên, một số cơ chế liên quan đến vật liệu cấu thành kim loại và một số cơ chế liên quan đến bản chất mô xung quanh kim loại Những yếu tố chính làm ảnh hưởng đến chất lượng ảnh bao gồm: hiệu ứng làm cứng chùm tia, dị ảnh dạng vệt, và dị ảnh răng cưa [4]
1.2.1 Hiệu ứng l m cứng chùm tia Beam Hardening [4]
Phổ năng lượng chùm tia photon xạ trị là phổ tia X bao gồm một chuỗi tập hợp các photon với các mức năng lượng khác nhau Các thuật toán tái tạo phép chiếu ngược được sử dụng trong CT không giải quyết đầy đủ bản chất đa năng lượng của nó, mà chỉ có thể xử lý sự suy giảm năng lượng phụ thuộc độ dày thông qua hệ số suy giảm tuyến tính Khi tia X đi xuyên qua mô có mật độ cao ví dụ như xương được minh họa dưới hình 1.4, mức độ suy giảm cao gây ra quang phổ tia X trở nên cứng hơn nghĩa là năng lượng trung bình của nó tăng lên, bởi vì các photon năng lượng thấp bị hấp thụ nhanh hơn so với các photon năng lượng cao Phổ tia X bị suy giảm và thấp hơn năng lượng tia X được ưu tiên làm suy giảm, dẫn đến sự chuyển dịch sang phải đặc trưng trong quang phổ, được thể hiện trên biểu đồ quang phổ (hình 1.4) Kết quả làm cứng chùm tia dẫn đến dị ảnh xuất hiện dưới dạng vùng tối (hình ảnh chèn với mũi tên vàng).
Hình 1.4 Minh họa khái niệm hiệu ứng cứng chùm tia
Hiệu ứng làm cứng chùm tia thường xảy ra khi tồn tại các vật thể có mật độ khối lớn như xương hoặc kim loại cấy ghép mô Hình 1.5 minh họa quá trình làm cứng chùm tia từ bệnh nhân được cấy ghép kim loại hai bên hông Chùm tia
X tương ứng với các đường giao nhau của cả hai mô cấy ghép bằng kim loại được làm cứng đặc biệt và dị ảnh nhìn thấy trong ảnh CT là kết quả từ dạng quét này Máy chụp CT sử dụng các phương pháp, thuật toán đơn giản để hiệu chỉnh độ cứng của chùm tia, tuy nhiên, do sự đơn giản đó, dị ảnh vẫn có thể xảy ra Có thể sử dụng phương pháp tái tạo hai lần mang lại giá trị hiệu chỉnh gần như tương đối đối với độ cứng chùm tia; tuy nhiên, các thuật toán như vậy thường không được áp dụng trong hầu hết các cơ sở y tế.
Hình 1.5 Minh họa quá trình làm cứng chùm tia Hình ảnh tái tạo số của bệnh nhân có cấy ghép kim loại hai bên hông (hình bên phải), hình ảnh CT tái tạo một bên hông (hình bên trái) cho thấy dị ảnh xuất hiện là vùng tối dưới dạng hình nêm
1.2.2 Dị ảnh dạng vệt Streak Artifacts [4]
Thuật ngữ dị ảnh được áp dụng khi có bất kỳ sự khác biệt có hệ thống trên hình ảnh được tái tạo và hệ số suy giảm thực của vật thể Vì vậy, dị ảnh có thể được hiểu là sự biến dạng hình ảnh không liên quan đến vật thể được chụp Trong các loại dị ảnh, dị ảnh dạng vệt cực kỳ phổ biến chiếm khoảng 21% số lần quét trong một chuỗi ảnh Dị ảnh dạng vệt (Hình 1.6a) xảy ra khi mức độ suy giảm của một vùng thể tích trong cơ thể bệnh nhân vượt quá dải động hoặc dải tuyến tính của hệ thống đầu đo (detector) Chất hàn kim loại trong răng là một nguồn khá phổ biến xảy ra dị ảnh dạng vệt, cũng như hầu hết các thiết bị cấy ghép có thành phần kim loại đáng kể.
Trong bộ dữ liệu chụp CT mô phỏng, khi tái tạo ảnh cho phép loại bỏ kim loại để tạo ra chất lượng hình ảnh tốt Tuy nhiên, do một số tác nhân, chúng không thể triệt tiêu hoàn toàn, dẫn đến các dị ảnh vệt sáng và tối mỏng từ kim loại Dị ảnh xuất hiện càng nhiều khi có bất kỳ chuyển động nào của vật thể có mật độ cao Mặc dù vùng đầu cổ có khả năng cố định khá tốt, nhưng trong quá trình chụp CT mô phỏng, bệnh nhân đôi khi sẽ nuốt hoặc cử động hàm, dị ảnh dạng vệt bị khuếch đại có xu hướng phát ra từ chất hàn kim loại (Hình 1.6b).
Dị ảnh dạng vệt xảy ra giữa các cạnh kim loại và vị trí ống tia X khi chuyển động Tốc độ máy quét nhanh làm giảm sự dịch chuyển tối đa của bệnh nhân trong quá trình chụp, do đó giảm thiểu được dị ảnh do chuyển động gây ra.
Dị ảnh có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng các kỹ thuật tái tạo đặc biệt.
Hình 1.6 Mô tả dị ảnh dạng vệt từ chất hàn răng có mật độ cao (a); chuyển động của bệnh nhân trong khi chụp (b)
1.2.3 Dị ảnh dạng răng cưa View Aliasing [4]
Dị ảnh dạng răng cưa xảy ra khi sử dụng quá ít hình ảnh chụp để tái tạo lại hình ảnh với tần số cao như hình bên dưới Hình 1.7 minh họa hiệu ứng này trên ảnh CT của đầu chuột Hầu hết các máy chụp CT thương mại hiếm khi xảy ra hiện tượng dị ảnh răng cưa, tuy nhiên, đối với một số đối tượng có tần số rất cao (chẳng hạn như đối tượng dùng kiểm tra độ phân giải), hiện tượng dị ảnh răng cưa có thể xảy ra.
Hình 1.7 Mô tả dị ảnh hình răng cưa
A Hình ảnh đầu chuột được hiển thị, tái tạo bằng cách sử dụng nhiều chế độ xem khác nhau (như được gắn nhãn) Hầu hết các máy chụp CT lâm sàng đều sử dụng một số lượng lớn khung nhìn cố định (950 đến 3.000) để tái tạo hình ảnh CT. Hình ảnh răng cưa trên máy chụp CT thương mại đôi khi có thể nhìn thấy (B) khi chụp các cấu trúc tuần hoàn có độ tương phản cao, chẳng hạn như mô-đun phân giải trên phantom ACR.
1.2.4 Nguyên nhân dị ảnh [5] Ảnh chụp CT vốn dễ bị dị ảnh hơn so với ảnh chụp X quang thông thường vì hình ảnh thường được tái tạo theo thứ tự khoảng một triệu phép đo của đầu đo độc lập Kỹ thuật tái tạo giả định tất cả các phép đo này là nhất quán, vì vậy bất kỳ sai số nào của phép đo thường sẽ phản ánh chính lỗi trên hình ảnh được tái tạo, và điều này, thường dẫn đến sự xuất hiện của dị ảnh Dị ảnh làm giảm chất lượng hình ảnh chẩn đoán khi chúng xuất hiện gần u hoặc cơ quan lành Chúng khiến các nhân viên lâm sàng gặp khó khăn khi xác định vị trí u cũng như cấu trúc giải phẫu quan trọng, từ đó xảy ra trường hợp chẩn đoán sai khi dựa trên hình ảnh bị lỗi, gây ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng đến sức khỏe của bệnh nhân Nguyên nhân dẫn đến dị ảnh liên quan đến các vấn đề kỹ thuật hoặc phần mềm, các loại vật thể khác nhau trong hình ảnh chẩn đoán CT, hoặc do sự di chuyển của bệnh nhân trong khi chụp CT.
1.2.5 Một số vấn đề cần giải quyết
1.2.5.1 Ảnh hưởng của dị ảnh [4]
Dữ liệu ảnh chụp CT mô phỏng được sử dụng để xác định chính xác vị trí các khối u và các cơ quan nguy cấp để phục vụ cho việc tính toán liều lượng Do đó, độ chính xác của kế hoạch điều trị dựa vào chất lượng của ảnh chụp.
Trong chỉ định điều trị cho bệnh nhân ung thư đầu cổ, vật liệu trám răng bằng kim loại và vật liệu cấy ghép răng thường tạo ra các dị ảnh trên ảnh CT mô phỏng do có sự suy giảm cao Dị ảnh có thể làm giảm khả năng định hình chính xác vị trí và kích thước khối u cũng như cơ quan nguy cấp Từ đó dẫn đến các sai số trong việc xác định các thể tích điều trị và mô lành cần bảo vệ của các bác sĩ xạ trị Hơn nữa, mật độ phân bố bị sai lệch, việc tính toán phân bố liều của hệ thống lập kế hoạch sẽ bị ảnh hưởng Ngoài ra, do phạm vi hạn chế của máy CT, giá trị mật độ của vật liệu kim loại không được thể hiện chính xác trong bộ dữ liệu Do đó, việc giảm các dị ảnh từ các vật liệu kim loại có thể cải thiện độ chính xác vị trí, kích thước khối u và cơ quan nguy cấp Ngoài ra, những vùng bị tán xạ bởi dị ảnh sẽ cho giá trị CT (HU) sai khác lớn, đồng nghĩa giá trị mật độ điện tử
ED không chính xác Mật độ điện tử là giá trị quyết định tương tác của bức xạ với vật chất nên việc mô phỏng tính toán liều lượng trong xạ trị không còn đúng với thực tế Tùy thuộc vào mỗi phương pháp định tính lại giá trị ED của mỗi tác giả mà sai số của tính toán liều lượng có sự khác biệt Nghiên cứu này chỉ ra rằng, sai khác về liều lượng này là đáng kể và sẽ được làm rõ ở phần kết quả.
Có một số kỹ thuật phần mềm làm giảm dị ảnh kim loại (được gọi chung là MAR: Metal Artifact Reduction) giảm tác động của kim loại trên hình ảnh CT chẳng hạn như kỹ thuật nội suy – khá nhanh và hiệu quả, tuy nhiên kỹ thuật nội suy bị giới hạn bởi khả năng tạo thêm dị ảnh khác và có khả năng bị mất dữ liệu của các cấu trúc xung quanh vật liệu kim loại; kỹ thuật lặp – lặp đi lặp lại các thể tích với các thành phần kim loại đã biết và loại bỏ các thành phần kim loại ra khỏi hình ảnh Trong những năm gần đây, MAR thương mại các sản phẩm phần mềm đã có sẵn Các thuật toán như vậy tạo ra các giá trị HU chính xác hơn cho các vùng cấy ghép kim loại ở các vị trí giải phẫu khác nhau.
Các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của dị ảnh
Như đã đề cập trong phần 1.2.5, dị ảnh có thể làm giảm khả năng định hình chính xác vị trí và kích thước khối u cũng như cơ quan nguy cấp, ngoài ra, những vùng bị tán xạ bởi dị ảnh sẽ cho kết quả tính toán liều lượng không chính xác do giá trị điểm ảnh HU sai trong tính toán liều lượng Chính vì thế trong nghiên cứu này sẽ xác định thủ công vùng dị ảnh sau đó khắc phục chúng bằng cách sử dụng chức năng FORCE ED trên phần mềm lập kế hoạch Monaco, đánh giá ảnh hưởng của dị ảnh tới phân bố liều kế hoạch được lập dựa trên dữ liệu hình ảnh CT gốc và CT đã hiệu chỉnh Nghiên cứu được triển khai qua các giai đoạn:
- Xác định đối tượng nghiên cứu
- Xử lý dị ảnh thông qua việc xác định vùng có Artifacts và hiệu chỉnh trên mỗi hình ảnh CT của từng bệnh nhân
- Kiểm chứng kết quả nghiên cứu thông qua lập kế hoạch lần lượt một cung (SA-Single Arc), hai cung (DA-Double Arc), ba cung (TA-Triple Arc), bốn cung (QA-Quadruple Arc) trên chuỗi ảnh CT gốc và CT đã hiệu chỉnh Sau đó đánh giá kết quả nghiên cứu thông qua phân bố liều dựa trên các chỉ số nghiên cứu.
2.1 Xác định đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu ở đây gồm 20 bệnh nhân ung thư đầu cổ có cấy ghép kim loại trong khoang miệng được chỉ định xạ VMAT, sử dụng mặt nạ nhiệt 5 điểm cố định vùng đầu cổ vai với tư thế nằm ngửa, hai tay xuôi theo thân người.
Xác định vùng có Artifact và hiệu chỉnh
Quy trình xác định các vùng có dị ảnh và hiệu chỉnh chúng được thực hiện như sau:
Từ dữ liệu hình ảnh CT của các bệnh nhân ung thư đầu cổ có cấy ghép kim loại, dị ảnh trong bộ dữ liệu ảnh CT mô phỏng được xác định thông qua cách xác định thủ công vùng có cùng độ lớn của chúng (hình 2.1) dựa trên các tiêu chí như giá trị HU, giá trị ED Các vùng dị ảnh có vệt sáng hoặc tối thuộc khoang
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Xác định đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu ở đây gồm 20 bệnh nhân ung thư đầu cổ có cấy ghép kim loại trong khoang miệng được chỉ định xạ VMAT, sử dụng mặt nạ nhiệt 5 điểm cố định vùng đầu cổ vai với tư thế nằm ngửa, hai tay xuôi theo thân người.
Xử lý dị ảnh
Xác định vùng có Artifact và hiệu chỉnh
Quy trình xác định các vùng có dị ảnh và hiệu chỉnh chúng được thực hiện như sau:
Từ dữ liệu hình ảnh CT của các bệnh nhân ung thư đầu cổ có cấy ghép kim loại, dị ảnh trong bộ dữ liệu ảnh CT mô phỏng được xác định thông qua cách xác định thủ công vùng có cùng độ lớn của chúng (hình 2.1) dựa trên các tiêu chí như giá trị HU, giá trị ED Các vùng dị ảnh có vệt sáng hoặc tối thuộc khoang miệng được xác định thông qua việc vẽ thủ công đường bao và hiệu chỉnh bằng cách gán với số CT của khoang miệng (hình 2.2), tương tự vùng ngoài khoang miệng phía hai bên gần da được xác định và hiệu chỉnh bằng cách gán với số CT của mô mềm Chức năng FORCE ED trên phần mềm lập hoạch được lựa chọn để thực hiện công việc đưa giá trị vùng có số CT cao về giá trị đúng Số CT được hiểu chính là đơn vị HU hoặc mật độ điện tử ED, việc thay đổi số CT đồng nghĩa với việc thay đổi giá trị ED Như vậy, khắc phục dị ảnh bằng cách gán cho nó số
CT phù hợp nghĩa là hiệu chỉnh giá trị ED hợp lý được minh họa trên hình 2.3. Hình ảnh CT sau khi thay đổi giá trị ED được minh họa dưới hình 2.4.
Hình 2.1 Xác định vùng có Artifact thuộc khoang miệng (bên trái), phía hai bên má (bên phải) bằng cách vẽ thủ công dựa trên phần mềm lập kế hoạch Monacoa
Hình 2.2 Mô tả chức năng FORCE ED trên phần mềm lập kế hoạch
Xác định giá trị Relative ED:
Xác định giá trị Relative ED được thực hiện như sau: Đầu tiên, xác định vị trí đường bao vùng có Artifact thuộc cơ quan lành hay mô mềm, sau đó dịch chuyển contour đến những lát cắt không có dị ảnh cùng thuộc một cơ quan lành hay mô mềm Tool công cụ Image Statistics trên phần mềm lập kế hoạch được sử dụng để thực hiện việc ghi nhận giá trị trung bình HU/ED Từ công cụ Image Statistics, bằng cách thu nhỏ hoặc phóng to,
17 vùng thể tích khảo sát ROI (Region of Interest) sẽ được tạo sao cho khớp với thể tích cơ quan lành hoặc mô mềm Vùng thể tích ROI hoạt động bằng cách chia nhỏ vùng thể tích thành các điểm ảnh, giá trị trung bình HU/ED ghi nhận được được tính bằng tổng tất cả các giá trị điểm ảnh chia cho tổng số điểm ảnh.
Trong nghiên cứu này, hai vùng dị ảnh cần được khảo sát, vùng thứ nhất thuộc khoang miệng, vùng còn lại thuộc mô mềm vị trí nằm ngoài khoang miệng phía hai bên má Đối với vùng có dị ảnh thuộc khoang miệng, xác định giá trị Relative ED bằng cách dịch chuyển contour đến những lát cắt không có dị ảnh cùng thuộc khoang miệng (thông thường là vùng thuộc vị trí dưới dị ảnh 3 đến 4 lát cắt) Thông qua việc khảo sát vùng thể tích ROI (hình vòng tròn màu vàng) được thể hiện dưới hình 2.3, các giá trị Min HU/ED, Max HU/ED, Mean HU/ED, được hiển thị ngay trong bảng thống kê hình ảnh Giá trị cần quan tâm chính là giá trị Mean HU/ED Sau đó, ghi nhận lại giá trị trung bình và nhập kết quả vừa ghi nhận vào cột Relative ED thuộc chức năng FORCE ED Tương tự, vùng dị ảnh phía hai bên khoang miệng gần với da, cũng dịch chuyển contour đến vùng không có dị ảnh cùng thuộc hai bên khoang miệng, thể tích khảo sát ROI được tái tạo, ghi nhận lại giá trị trung bình và nhập kết quả vào cột Relative ED Lưu ý, khi tái tạo vùng khảo sát ROI không được chồng lên vị trí cơ quan khác bởi vì ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả trung bình HU/ED, cụ thể ROI thuộc khoang miệng chỉ nên nằm gọn trong khoang miệng ROI thuộc mô mềm hai bên má chỉ thu gọn thuộc mô mềm tránh bị chồng lên da, xương.
Hình 2.3 Minh họa cách tính giá trị trung bình mật độ điện tử ED Hình vòng tròn màu vàng chính là thể tích ROI, Monaco sẽ chia nhỏ vùng ROI và tính lấy giá trị trung bình được hiển thị trong bảng khung màu cam
Hình 2.4 Minh họa kết quả sau khi thay đổi giá trị ED Trước hiệu chỉnh (hình a) giá trị HU/ED (671/1,357) tại một điểm thuộc vùng dị ảnh nằm trong khoang miệng, sau hiệu chỉnh (hình b) tại điểm đó giá trị HU/ED (33/1,041) Trước hiệu chỉnh (hình c) giá trị HU/ED (847/1,451) tại một điểm thuộc vùng dị ảnh nằm một phía bên má, sau hiệu chỉnh (hình d) giá trị HU/ED (-25/0,986)
Kiểm chứng kết quả hiệu chỉnh
Kiểm chứng kết quả hiệu chỉnh thông qua việc lập các kế hoạch VMAT trên phần mềm Monaco phiên bản 5.11.02, sử dụng mức năng lượng 6MV Mỗi bệnh nhân được lập 08 kế hoạch với số cung lần lượt là một cung (SA-Single Arc: một cung bắt đầu từ góc 181 0 đến 179 0 cùng chiều kim đồng hồ), hai cung (DA-Double Arc: một cung bắt đầu từ góc 181 0 đến 179 0 cùng chiều kim đồng hồ và một cung bắt đầu từ góc 179 0 đến 181 0 ngược chiều kim đồng hồ), ba cung (TA-Triple Arc: hai cung bắt đầu từ góc 181 0 đến 179 0 cùng chiều kim đồng hồ
19 và một cung bắt đầu từ góc 179 0 đến 181 0 ngược chiều kim đồng hồ ), bốn cung (QA-Quadruple Arc: hai cung bắt đầu từ góc 181 0 đến 179 0 cùng chiều kim đồng hồ và hai cung bắt đầu từ góc 179 0 đến 181 0 ngược chiều kim đồng hồ) được tính toán và tối ưu hóa bằng thuật toán Monte Carlo Tổng liều chỉ định cho tất cả các kế hoạch là 69,96 Gy (2,12Gy/Fr x 33 phân liều) So sánh kết quả phân bố liều kế hoạch được lập ở cả hai chuỗi ảnh dựa trên các đường đồng liều (isodose line) trên từng lát cắt và trên bản đồ liều lượng thể tích DVH (Dose Volume Histogram) đảm bảo các tiêu chí đánh giá [8] [9] được hiển thị cụ thể ở bảng 2.1 bên dưới.
Bảng 2.1 Tiêu chí đánh giá kế hoạch IMRT/VMAT cho bệnh ung thư vòm [8] [9]
Tổ chức/cơ quan Giới hạn liều
PTV - Không quá 1% thể tích PTV nhận dưới 93% PD
- Không quá 5% thể tích PTV nhận trên 115%PD
- Liều chỉ định bao phủ ≥ 95% PD
Thân não Max dose